四軸飛行器的姿態(tài)研究與設(shè)計

周杰++唐曉平++曹俊合

摘要：本設(shè)計是紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動系統(tǒng)有四個輸入?yún)s有六個輸出，所以它是一個非線性，高度耦合，欠驅(qū)動系統(tǒng)。本文介紹四軸飛行器的一個實現(xiàn)方案，設(shè)計了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 姿態(tài) STM32 控制

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構(gòu)成

四軸飛行器的設(shè)計上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統(tǒng)分別有四個輸入和六個輸出。四個輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個輸出分別是三個坐標(biāo)軸的線運動和角運動。四軸飛行器的硬件是比較簡單，本文的主要內(nèi)容是軟件的實現(xiàn)。

1.1 硬件構(gòu)成

四軸飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

1.2 電氣構(gòu)成

電氣部分包括：電子調(diào)速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統(tǒng)設(shè)計

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。用它來處理四軸飛行器的復(fù)雜運算很適合。電路圖設(shè)計如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標(biāo)描述

在設(shè)計四軸飛行器控制系統(tǒng)之前，先要理解四軸飛行器的運動特性和動力學(xué)。四軸飛行器涉及兩個空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系。如圖3所示。

2.1 姿態(tài)的表示和運算

飛行器的姿態(tài)是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。公式1.1描述了四元數(shù)的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補濾波算法

Mark Euston提出的互補濾波法。開始算出兩個叉積：

然后把叉積乘以一個系數(shù)，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場的糾正系數(shù)，一般取接近0的數(shù)：

構(gòu)造旋轉(zhuǎn)增量：

這個方法比前兩個簡單，運算量也比前兩個少（如圖4所示）。

3 結(jié)語

四軸飛行器的發(fā)展歷史快一個世紀(jì)了，發(fā)展初因為技術(shù)的限制，沒能很好的推廣開來，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，四軸飛行器技術(shù)也變得越來越成熟，社會上也越來越關(guān)注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實現(xiàn)，在這期間做了一下相應(yīng)的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設(shè)計制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購買了相應(yīng)的電子元件，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。軟件編寫，通過調(diào)試，驗證算法的可行性，采集信息，準(zhǔn)確的估計四軸飛行器的姿態(tài)信息，實現(xiàn)對四軸飛行器的閉環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學(xué)問題研究：[博士學(xué)位論文].南京航空航天大學(xué)，2002.endprint

摘要：本設(shè)計是紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動系統(tǒng)有四個輸入?yún)s有六個輸出，所以它是一個非線性，高度耦合，欠驅(qū)動系統(tǒng)。本文介紹四軸飛行器的一個實現(xiàn)方案，設(shè)計了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 姿態(tài) STM32 控制

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構(gòu)成

四軸飛行器的設(shè)計上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統(tǒng)分別有四個輸入和六個輸出。四個輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個輸出分別是三個坐標(biāo)軸的線運動和角運動。四軸飛行器的硬件是比較簡單，本文的主要內(nèi)容是軟件的實現(xiàn)。

1.1 硬件構(gòu)成

四軸飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

1.2 電氣構(gòu)成

電氣部分包括：電子調(diào)速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統(tǒng)設(shè)計

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。用它來處理四軸飛行器的復(fù)雜運算很適合。電路圖設(shè)計如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標(biāo)描述

在設(shè)計四軸飛行器控制系統(tǒng)之前，先要理解四軸飛行器的運動特性和動力學(xué)。四軸飛行器涉及兩個空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系。如圖3所示。

2.1 姿態(tài)的表示和運算

飛行器的姿態(tài)是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。公式1.1描述了四元數(shù)的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補濾波算法

Mark Euston提出的互補濾波法。開始算出兩個叉積：

然后把叉積乘以一個系數(shù)，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場的糾正系數(shù)，一般取接近0的數(shù)：

構(gòu)造旋轉(zhuǎn)增量：

這個方法比前兩個簡單，運算量也比前兩個少（如圖4所示）。

3 結(jié)語

四軸飛行器的發(fā)展歷史快一個世紀(jì)了，發(fā)展初因為技術(shù)的限制，沒能很好的推廣開來，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，四軸飛行器技術(shù)也變得越來越成熟，社會上也越來越關(guān)注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實現(xiàn)，在這期間做了一下相應(yīng)的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設(shè)計制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購買了相應(yīng)的電子元件，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。軟件編寫，通過調(diào)試，驗證算法的可行性，采集信息，準(zhǔn)確的估計四軸飛行器的姿態(tài)信息，實現(xiàn)對四軸飛行器的閉環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學(xué)問題研究：[博士學(xué)位論文].南京航空航天大學(xué)，2002.endprint

摘要：本設(shè)計是紹興市大學(xué)生科技創(chuàng)新項目。四軸飛行器作為低空低成本的遙感平臺，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。其驅(qū)動系統(tǒng)有四個輸入?yún)s有六個輸出，所以它是一個非線性，高度耦合，欠驅(qū)動系統(tǒng)。本文介紹四軸飛行器的一個實現(xiàn)方案，設(shè)計了一種用加速度傳感器矯正陀螺儀零點漂移的方法，并且用PID控制器去控制四個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 姿態(tài) STM32 控制

中圖分類號：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）08-0182-02

1 飛行器的構(gòu)成

四軸飛行器的設(shè)計上可分為硬件部分和軟件部分。四軸飛行器的控制系統(tǒng)分別有四個輸入和六個輸出。四個輸入分別是翻滾角，海拔，偏航角和俯仰角；六個輸出分別是三個坐標(biāo)軸的線運動和角運動。四軸飛行器的硬件是比較簡單，本文的主要內(nèi)容是軟件的實現(xiàn)。

1.1 硬件構(gòu)成

四軸飛行器由機架、電機、螺旋槳和控制電路構(gòu)成。

1.2 電氣構(gòu)成

電氣部分包括：電子調(diào)速器、控制電路板、電池，和傳感器模塊、一些外接的通訊。電氣連接如圖1所示。

1.3 最小系統(tǒng)設(shè)計

核心板用STM32，STM32系列基于專為要求低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計的ARM Cortex-M3內(nèi)核。用它來處理四軸飛行器的復(fù)雜運算很適合。電路圖設(shè)計如圖2所示。

2 四軸飛行器坐標(biāo)描述

在設(shè)計四軸飛行器控制系統(tǒng)之前，先要理解四軸飛行器的運動特性和動力學(xué)。四軸飛行器涉及兩個空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)：地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系。如圖3所示。

2.1 姿態(tài)的表示和運算

飛行器的姿態(tài)是指飛行器的方向，包括偏航角（yaw）、俯仰角（pitch）和滾轉(zhuǎn)角（roll）。公式1.1描述了四元數(shù)的微分方程，其中分別代表陀螺儀X，Y，Z三軸的角速度。

2.2 互補濾波算法

Mark Euston提出的互補濾波法。開始算出兩個叉積：

然后把叉積乘以一個系數(shù)，加到陀螺的角增量上，和分別為加速度和磁場的糾正系數(shù)，一般取接近0的數(shù)：

構(gòu)造旋轉(zhuǎn)增量：

這個方法比前兩個簡單，運算量也比前兩個少（如圖4所示）。

3 結(jié)語

四軸飛行器的發(fā)展歷史快一個世紀(jì)了，發(fā)展初因為技術(shù)的限制，沒能很好的推廣開來，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，四軸飛行器技術(shù)也變得越來越成熟，社會上也越來越關(guān)注四軸飛行器，不斷的研究出新的成果，本文主要是圍繞著四軸飛行器的制作和算法，從理論到實現(xiàn)，在這期間做了一下相應(yīng)的工作：以STM32 F103處理器為主控芯片，用Altium Designer10設(shè)計制作了四軸飛行器的PCB核心板，并購買了相應(yīng)的電子元件，并進(jìn)行焊接與調(diào)試。軟件編寫，通過調(diào)試，驗證算法的可行性，采集信息，準(zhǔn)確的估計四軸飛行器的姿態(tài)信息，實現(xiàn)對四軸飛行器的閉環(huán)控制。

參考文獻(xiàn)

[1]宋慧濱，徐申，段德山.一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008.

[2]冬雷.DSP原理及電機控制系統(tǒng)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]張超，何湘寧.非對稱模糊PID控制在光伏MPPT中的應(yīng)用[J].

[4]胡宇群.微型飛行器中的若干動力學(xué)問題研究：[博士學(xué)位論文].南京航空航天大學(xué)，2002.endprint