一、項目概述

1.1 項目摘要

四軸飛行器具有不穩(wěn)定，非線性特性，姿態(tài)控制為四軸飛行器控制系統(tǒng)的核心。機械部分搭建四個具有對稱結構的螺旋槳葉和驅動電機。電氣部分則采用STM32為控制核心的慣性參考模塊作為姿態(tài)控制板，通過四軸飛行器的飛行原理，建立數(shù)學模型，設計四軸飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)。陀螺儀，加速度，地磁計分別采集運動軌跡數(shù)據(jù)，姿態(tài)修正，進行航向控制，采用PI算法進行姿態(tài)角的閉環(huán)控制。另外運用一塊STM32作為自主飛行控制板，兩塊主控芯片通過無線串口進行數(shù)據(jù)傳送，當姿態(tài)控制板受到來自飛行控制板的控制信號時，姿態(tài)控制板通過數(shù)字控制總線控制四個電調，電調再把控制信號轉化為電機轉速控制電機運行，達到飛行效果。

1.2 項目背景/選題動機

四軸飛行器有著其他類型航模無可比擬的優(yōu)勢，懸停穩(wěn)定，不需要占用很大的面積空間；機械結構簡單，維護方便，飛行損耗成本低；可擴展性好，在四軸飛行器上能搭載攝像頭，或者其他傳感器，應用前景廣泛，可用于軍事，救援等特殊使命。而四軸飛行器的控制核心是姿態(tài)控制，而iNEMO模塊則為四軸飛行器搭建了基礎的控制硬件平臺。

二、需求分析

2.1 功能要求

(1) 傳感器要求能夠檢測四軸飛行器的航向，姿態(tài)信息。

(2) 主控器能快速獲得各個傳感器的數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)處理。

(3) 各個電機要能進行實時調速，實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

(4) 飛行控制板與姿態(tài)控制板進行一定距離實時通訊，并能控制飛行器的快速調速以實現(xiàn)飛行控制。

(5) 通過無線通訊獲取地磁模塊地磁與加速度原始數(shù)據(jù)，通過飛行控制板進行處理并顯示航向。

(6) 通過對電源模塊的電壓AD采樣，獲取電池電量信息并在飛行控制板上顯示

2.2 性能標準

(1) 水平原地連續(xù)旋轉

懸停在空中1米左右，偏航測試，四軸就開始原地連續(xù)旋轉起來。這個飛行主要用于測試飛控姿態(tài)預測算法的能力。好的飛行控制算法應該是盡量保持飛行器機身水平，不會漂移太多。

(2) 單邊掛重物實驗

懸停在空中，瞬間給飛行器四軸中一個軸臂上掛一個重物，對這樣沖擊力，觀察飛行器能不能快速做出反應，時間越短越好

(3) 加速上升或者下降

在飛行器處于懸停狀態(tài)，加速上升或者加速下降，觀察機身是否激烈抖動，抖動小或不抖動抗風能力強

三、方案設計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

四軸飛行器飛行原理:

當四個旋翼的轉速相等且產(chǎn)生的升力之和等于飛行器自身的重力時，飛行器處于懸停狀態(tài)；在懸停的基礎上，飛行器的任意一組旋翼轉速等量的增加或減少，而另一組飛行速度不變，將產(chǎn)生偏航的效果；同時等量增加或減少飛行器4個旋翼速度時，將使飛行器上升或下降；當其中飛行器的其中一個旋翼速度增加或減少，處于對角線上的旋翼速度減小或增加，飛行器將會向一個方向傾斜，產(chǎn)生俯仰運動或滾俯運動。如圖1所示。

圖1

四軸飛行器的飛行控制系統(tǒng)包括主控制模塊，各個傳感器模塊，飛行控制板，通訊模塊，電機調速模塊，電池模塊。主控制模塊與傳感器模塊合成一個模塊，使用的是意法半導體公司的iNEMO模塊慣性測量模塊，該模塊之間通過采用I2C通訊模式進行數(shù)據(jù)傳輸，并將控制信號發(fā)送給電調；飛行控制板與主控制器采用無線串口進行數(shù)據(jù)收發(fā)和命令控制；電源模塊為各個傳感器和控制芯片提供電源，并為電調和電機提供動力。四軸飛行器的系統(tǒng)總體設計框圖如圖2所示。

圖2

3.2 硬件資源配置

主控制器

系統(tǒng)主控制器采用意法半導體公司32位微處理器STM30f103系列為主控制器，它是專門為控制系統(tǒng)，工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡等對功耗和成本敏感的嵌入式應用領域而設計的。STM32系列32位閃存微控制器基于為嵌入式應用開發(fā)的具有突破性的ARM Cortex –TM內核，高速指令處理能力，支持浮點數(shù)運算，有強大的數(shù)據(jù)處理能力；擁有USB，USART，SPI，I2C等多個外設接口，12位精度的ADC，采集更精確的數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)誤差；STM32開發(fā)完整的固件庫，完善的開發(fā)工具為用戶大大縮短開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本；

慣性參考單元

STEVAL-MKI062V2開發(fā)套件，這款iNEMO模塊集成了5個意法半導體傳感器：雙軸滾轉-俯仰陀螺儀(LPR430AL)，單軸偏航陀螺儀(LY330ALH)，6軸地磁測量模塊(LSM303DLH)，壓力傳感器(LPS001DL)和溫度傳感器(STLM75)。

無線射頻模塊

用于收發(fā)數(shù)據(jù)命令采用CC1101無線通信模塊，串口通訊方式，低功耗工作，傳輸距離可達到200m，提供3種用戶可選波特率，可傳輸字節(jié)為30的數(shù)據(jù)幀，且有大數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

電源模塊

電源模塊為主控制器，各個傳感器和電機供電，鋰電池供電，由ASM1117轉換為5V為慣性測量模塊和電調供電。

顯示部分

顯示部分為無線發(fā)送回來數(shù)據(jù)進行處理顯示和對發(fā)送控制命令的顯示，具有輔助調節(jié)作用，該部分采用2.4寸TFT顯示。

圖3

3.3系統(tǒng)軟件架構

姿態(tài)檢測算法

將陀螺儀和加速度計的初始測量值減去常值誤差，獲得角速度和加速度，并對加速度進行積分。然后對角加速度積分和加速度積分數(shù)值融合處理。融合目的包括兩個方面：一個對角速度的飄移進行估算，加入到角度值里面。另一個對陀螺儀的常值數(shù)值進行修正。

控制算法

算法的核心是對角速度做PI計算，P的作用是使四軸飛行器能夠產(chǎn)生對于外界干擾的抵抗力矩，I的作用是讓四軸飛行器產(chǎn)生一個與角度成正比的抵抗力。對角速度做I預算實際得到的是角度值，如果四軸有一個傾斜角度，那么四軸飛行器就會自己進行調整，直到傾角為零。它所產(chǎn)生的抵抗力與角度成正比，但是如果只有I的話，四軸飛行器會馬上進行震蕩，PI必須結合起來使用。

控制系統(tǒng)框架圖

3.4 系統(tǒng)軟件流程

四軸飛行器姿態(tài)控制程序運行流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電以后進行系統(tǒng)初始化，包括時鐘配置，端口初始化，液晶界面初始化。由控制器發(fā)出控制指令，如果四軸飛行器上姿態(tài)調整板能接受并產(chǎn)生應答信號，則進行傳感器校準，系統(tǒng)電量檢測，電量充足則等待無線指令，當接收到無線指令后，由姿態(tài)控制板就行姿態(tài)檢測，數(shù)據(jù)采集進行算法處理，并通過IIC把控制命令傳遞給電調進行電機轉速控制，以進行飛行控制。在整個過程中采用ADC采集電源模塊輸出電壓，以進行電量檢測，如果電量不足，則飛行器落?；蛘卟黄痫w。

程序運行流程圖