四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)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(xué)術(shù)堂為大家整理出一篇題目為“四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與飛行設(shè)計”的航天工程論文，供大家參考。

原標(biāo)題：四旋翼控制系統(tǒng)的設(shè)計

　　摘要：在充分考慮四旋翼飛行器功能及性能的基礎(chǔ)上，給出了微型四旋翼飛行器的實現(xiàn)方案，采用RL78G13為核心處理器，采用MPU6050實現(xiàn)飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，利用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)參數(shù)的無線傳輸，并進(jìn)行了驅(qū)動電路、電源穩(wěn)壓電路、電池電壓檢測電路的設(shè)計。針對四旋翼飛行器在工作過程中供電電壓不斷降低導(dǎo)致控制不穩(wěn)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(yīng)的控制程序，經(jīng)過測試，實現(xiàn)了四旋翼飛行器的穩(wěn)定控制。

　　關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；姿態(tài)數(shù)據(jù)；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(jìn)行偵查、監(jiān)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?qū)崿F(xiàn)大氣監(jiān)測、交通監(jiān)控、森林防火等功能，有效預(yù)防了危機(jī)的產(chǎn)生，而促使四旋翼飛行器得到廣泛應(yīng)用的前提，是實現(xiàn)其平穩(wěn)飛行及自主運(yùn)行[1].本設(shè)計以實現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定懸停與按照預(yù)定軌道自主飛行為目標(biāo)，旨在探索四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)與飛行原理，并通過實際調(diào)試，理解四旋翼飛行器的相關(guān)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(dǎo)致控制不穩(wěn)的問題。

1設(shè)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(jìn)行采集，主控制器采用四元數(shù)方法及PID算法對姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，并將計算后的PWM控制信號施加到電機(jī)上，進(jìn)而實現(xiàn)對四旋翼飛行器的控制。

　　通過調(diào)研及綜合目前四旋翼飛行器系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求，確定了設(shè)計的性能及指標(biāo)如下。

　　（1）通信功能：具有無線接口，實現(xiàn)飛行功能的無線設(shè)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(wěn)定降落；③垂直升起至60cm處，水平飛行1m后穩(wěn)定降落；④由無線設(shè)定高度及飛行距離，完成起飛及降落功能。

　　基于對需要實現(xiàn)功能的理解，確定該設(shè)計的核心控制器為16位MCU芯片RL78G13,主要完成飛行數(shù)據(jù)的處理、PID運(yùn)算及PWM的輸出。系統(tǒng)由RL78G13最小系統(tǒng)、無線收發(fā)模塊、飛行數(shù)據(jù)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(jī)驅(qū)動模塊等構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　各模塊的功能如下：RL78G13最小系統(tǒng)作為四旋翼飛行器的主控；飛行數(shù)據(jù)采集模塊，用于對四旋翼飛行器飛行姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；高度檢測模塊，實現(xiàn)定位追蹤四旋翼飛行器實際高度信息的功能；無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)；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(jī)驅(qū)動模塊，用于提高I/O口的驅(qū)動帶載能力。

2硬件設(shè)計

　　2.1電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

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

　　圖2中穩(wěn)壓二極管D1起到續(xù)流及保護(hù)SI2302的作用，電機(jī)停轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)內(nèi)部線圈產(chǎn)生的反電動勢經(jīng)D1形成放電通路，避免因無放電通路而擊穿驅(qū)動電路中SI2302的問題。

　　2.2無線收發(fā)電路設(shè)計

　　當(dāng)采用功能開關(guān)對四旋翼飛行器飛行方式進(jìn)行設(shè)定時，隨著其飛行功能越來越多，對功能開關(guān)的使用也將增多，使得四旋翼飛行器的硬件設(shè)計復(fù)雜，而且會增加其自身的重量，同時在實際調(diào)試中，通過功能開關(guān)切換飛行方式，又使得調(diào)試較為繁瑣，工作量較大。故在設(shè)計中引入無線參數(shù)給定的思想，設(shè)計了無線收發(fā)電路，采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。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(fā)系統(tǒng)，相比于其他無線收發(fā)電路而言，該電路設(shè)計簡單且成本較低。nRF24L01無線收發(fā)電路如圖3所示。

　　2.3TPS63001穩(wěn)壓電路設(shè)計

　　四旋翼飛行器在飛行過程中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，會造成控制電路電壓大幅波動，進(jìn)而導(dǎo)致各功能模塊無法工作，為了避免此類情況發(fā)生，設(shè)計了TPS63001穩(wěn)壓電路，TPS63001在1.8~5.5V輸入時，均穩(wěn)壓輸出3.3V,保證系統(tǒng)各控制電路電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)。TPS63001穩(wěn)壓電路如圖4所示。

　　2.4電池電壓檢測電路設(shè)計

　　四旋翼飛行器運(yùn)行時，電池處于持續(xù)耗電狀態(tài)，實驗中發(fā)現(xiàn)電量的持續(xù)消耗成為影響四旋翼飛行器飛行穩(wěn)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(shè)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(diào)整PWM輸出信號的方式對飛行姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償，以確保四旋翼飛行器始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　　2.5其他功能模塊電路設(shè)計

　　其他功能模塊包括RL78G13最小系統(tǒng)、MPU6050數(shù)據(jù)采集電路、高度檢測模塊、功能開關(guān)電路。RL78G13最小系統(tǒng)包括復(fù)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(xiàn)，其工作原理是發(fā)射的紅外線經(jīng)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(yīng)相應(yīng)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(shè)計的'硬件實物圖如圖5所示。

3軟件設(shè)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(biāo)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(shù)，然后進(jìn)行姿態(tài)解算，最終以PWM控制信號的方式施加到4路空心杯電機(jī)上，通過調(diào)整各路PWM信號完成相應(yīng)的飛行控制功能。