四旋翼飛行器的穩定懸停與飛行設計論文

　　四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。下面由學術堂為大家整理出一篇題目為“四旋翼飛行器的穩定懸停與飛行設計”的航天工程論文，供大家參考。

原標題：四旋翼控制系統的設計

　　摘要：在充分考慮四旋翼飛行器功能及性能的基礎上，給出了微型四旋翼飛行器的實現方案，采用RL78G13為核心處理器，采用MPU6050實現飛行姿態數據的采集，利用nRF24L01無線模塊實現參數的無線傳輸，并進行了驅動電路、電源穩壓電路、電池電壓檢測電路的設計。針對四旋翼飛行器在工作過程中供電電壓不斷降低導致控制不穩的問題，采用電池電壓反饋的控制策略有效解決了該問題。在搭建的硬件平臺上，編寫了相應的控制程序，經過測試，實現了四旋翼飛行器的穩定控制。

　　關鍵詞：四旋翼飛行器；姿態數據；無線傳輸

　　四旋翼飛行器的研究解決了眾多的軍用與民用上的問題。軍方利用四旋翼飛行器進行偵查、監視、誘餌與通信中繼，解決了人為操作困難的問題，甚至減免了人員的傷亡；而在民用上，四旋翼飛行器能夠實現大氣監測、交通監控、森林防火等功能，有效預防了危機的產生，而促使四旋翼飛行器得到廣泛應用的前提，是實現其平穩飛行及自主運行[1].本設計以實現四旋翼飛行器的穩定懸停與按照預定軌道自主飛行為目標，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結構與飛行原理，并通過實際調試，理解四旋翼飛行器的相關控制理論，并解決四旋翼飛行器在工作過程中由于供電電壓不斷降低導致控制不穩的問題。

1設計原理方案

　　四旋翼飛行器的核心是利用MPU6050對其飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度值進行采集，主控制器采用四元數方法及PID算法對姿態數據進行解算，并將計算后的PWM控制信號施加到電機上，進而實現對四旋翼飛行器的控制。

　　通過調研及綜合目前四旋翼飛行器系統的特點及要求，確定了設計的性能及指標如下。

　　（1）通信功能：具有無線接口，實現飛行功能的無線設定。

　　（2）飛行功能：①自主空中懸停于60cm處；②垂直升起至30cm處，水平飛行60cm后穩定降落；③垂直升起至60cm處，水平飛行1m后穩定降落；④由無線設定高度及飛行距離，完成起飛及降落功能。

　　基于對需要實現功能的理解，確定該設計的核心控制器為16位MCU芯片RL78G13,主要完成飛行數據的處理、PID運算及PWM的輸出。系統由RL78G13最小系統、無線收發模塊、飛行數據采集模塊、電池電壓檢測模塊、高度檢測模塊、電源電路模塊、電機驅動模塊等構成，總體結構框圖如圖1所示。

　　各模塊的功能如下：RL78G13最小系統作為四旋翼飛行器的主控；飛行數據采集模塊，用于對四旋翼飛行器飛行姿態的相關數據進行采集；高度檢測模塊，實現定位追蹤四旋翼飛行器實際高度信息的功能；無線收發模塊，實現數據的無線收發；電池電壓檢測模塊，用于消除由于電池電量消耗對四旋翼飛行器造成的影響；電源電路模塊，為整個四旋翼飛行器提供電能；電機驅動模塊，用于提高I/O口的驅動帶載能力。

2硬件設計

　　2.1電機驅動電路設計

　　RL78G13單片機I/O口輸出電流為10mA,3.7V空心杯電機的空載電流為80mA,顯然采用RL78G13單片機I/O口作輸出，無法驅動起四路空心杯電機，因此設計了驅動電路以提高I/O口的驅動帶載能力。設計中采用SI2302N溝道CMOS管進行電流的驅動放大，單路電機驅動電路如圖2所示。測試表明，經過SI2302驅動電路放大后，RL78G13能夠穩定驅動四路空心杯電機，且長時間工作時，驅動電路元件自身發熱不明顯。

　　圖2中穩壓二極管D1起到續流及保護SI2302的作用，電機停轉過程中，電機內部線圈產生的反電動勢經D1形成放電通路，避免因無放電通路而擊穿驅動電路中SI2302的問題。

　　2.2無線收發電路設計

　　當采用功能開關對四旋翼飛行器飛行方式進行設定時，隨著其飛行功能越來越多，對功能開關的使用也將增多，使得四旋翼飛行器的硬件設計復雜，而且會增加其自身的重量，同時在實際調試中，通過功能開關切換飛行方式，又使得調試較為繁瑣，工作量較大。故在設計中引入無線參數給定的思想，設計了無線收發電路，采用nRF24L01無線模塊實現數據的無線收發。nRF24L01在使用時所需的外部元件較少，僅需1個16MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發系統，相比于其他無線收發電路而言，該電路設計簡單且成本較低。nRF24L01無線收發電路如圖3所示。

　　2.3TPS63001穩壓電路設計

　　四旋翼飛行器在飛行過程中，隨著電機轉速的增加，會造成控制電路電壓大幅波動，進而導致各功能模塊無法工作，為了避免此類情況發生，設計了TPS63001穩壓電路，TPS63001在1.8~5.5V輸入時，均穩壓輸出3.3V,保證系統各控制電路電壓處于穩定狀態。TPS63001穩壓電路如圖4所示。

　　2.4電池電壓檢測電路設計

　　四旋翼飛行器運行時，電池處于持續耗電狀態，實驗中發現電量的持續消耗成為影響四旋翼飛行器飛行穩定性的重要因素。為了消除其對四旋翼飛行器的影響，因此設計了電池電壓檢測電路，利用RL78G13自帶的AD實時檢測電池電壓，并通過適時調整PWM輸出信號的方式對飛行姿態進行補償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩定狀態。

　　2.5其他功能模塊電路設計

　　其他功能模塊包括RL78G13最小系統、MPU6050數據采集電路、高度檢測模塊、功能開關電路。RL78G13最小系統包括復位電路及晶振電路；MPU6050用來采集飛行過程中的三軸加速度與三軸角速度信息；高度檢測則由GP2Y0A02YK0F模塊實現，其工作原理是發射的紅外線經過地面反射回來，并由模塊輸出電壓信號，輸出的電壓值會對應相應的探測距離，RL78G13通過測量電壓值就可以得出所探測的距離。設計的'硬件實物圖如圖5所示。

3軟件設計

　　四旋翼飛行器在空間上具有6個自由度，分別為載體坐標系X、Y、Z軸上的加速度與角速度。核心控制器RL78G13利用MPU6050采集這些參數，然后進行姿態解算，最終以PWM控制信號的方式施加到4路空心杯電機上，通過調整各路PWM信號完成相應的飛行控制功能。