基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)微型四旋翼飛行器在小型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)，提出并采用多種傳感器、藍(lán)牙無(wú)線通信、嵌入式微控制器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器。詳細(xì)闡述了其系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)以及四元數(shù)算法、PID控制算法等。實(shí)踐表明，基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器具有易于控制、飛行姿態(tài)穩(wěn)定、轉(zhuǎn)向靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 微型四旋翼飛行器； 物聯(lián)網(wǎng)； 藍(lán)牙； 四元數(shù)； PID

中圖分類號(hào)： TN967.6?34； TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）13?0108?04

Abstract： Since the micro quad?rotor aircraft （QRA） has the unique advantage in the field of small unmanned aerial vehicle， a micro QRA based on Internet of Things （IOT） was designed by adopting the IOT techniques （such as sensors， Bluetooth wireless communication， embedded microcontroller， etc）. The system architecture， hardware design， quaternion algorithm and PID control algorithm of the micro quad?rotor aircraft are described in detail. The practice results show that the ORA based on IOT has the advantages of easy control， stable flight attitude and flexible steering.

Keywords： micro quad?rotor aircraft； Internet of Things； Bluetooth； quaternion； PID

0 引 言

四旋翼飛行器易于實(shí)現(xiàn)垂直升降和自由懸停，其機(jī)動(dòng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于固定翼機(jī)型無(wú)人飛行器。并且其質(zhì)量輕、體積小、便于攜帶，非常適合在復(fù)雜地形與狹小的空間內(nèi)使用，尤其是人不適合或根本不能進(jìn)入的惡劣環(huán)境[1?3]。同時(shí)在軍事上還可在近地面執(zhí)行偵察、偵測(cè)與監(jiān)視等多種任務(wù)，目前正受到國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的熱切關(guān)注，成為小型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域中的研究重點(diǎn)[3?5]。

隨著多種數(shù)字化、微型化、高精度的新型傳感器的不斷產(chǎn)生，四旋翼飛行器的性能不斷得到發(fā)展，正在朝著智能化、微型化、多功能化等方向發(fā)展，因此微型四旋翼飛行器是其發(fā)展的方向之一[6]。作為當(dāng)前最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)——物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，與微型四旋翼飛行器有機(jī)結(jié)合構(gòu)成全新的基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器，則是四旋翼飛行器未來(lái)發(fā)展的方向與潮流。

1 工作原理

微型四旋翼飛行器有四個(gè)交叉，且在同一高度的旋翼以相對(duì)的兩個(gè)旋翼為一組進(jìn)行配置。這兩組旋翼以相反的方向旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變電機(jī)的輸出功率來(lái)改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到改變升力并產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的目的。同步減少或增加四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速就能產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，即垂直下降或垂直上升。以相反的方向改變一組旋翼的轉(zhuǎn)速，就能使俯仰角改變并同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的橫向運(yùn)動(dòng)；以相反的方向改變另一組旋翼的轉(zhuǎn)速能使?jié)L動(dòng)角改變并同時(shí)產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)；每組旋翼的反向力矩差產(chǎn)生偏航角轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)改變上述三個(gè)角的角度，就可以控制微型四旋翼飛行器朝著期望的方向飛行[1，6?7]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器由微型四旋翼飛行器與智能飛行控制系統(tǒng)（一款安裝在智能手機(jī)上的管理軟件）構(gòu)成，二者之間通過(guò)藍(lán)牙（BlueTooth）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如圖1所示。智能飛行控制系統(tǒng)把智能手機(jī)既作遙控器，也作接收器。用戶通過(guò)操作智能飛行控制系統(tǒng)來(lái)管理、控制微型四旋翼飛行器的飛行：垂直上升、垂直下降、向左移動(dòng)、向右移動(dòng)、向前移動(dòng)、向后移動(dòng)、空中懸停、空中滾轉(zhuǎn)、緊急停機(jī)等，并且微型四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)及相關(guān)數(shù)據(jù)同時(shí)也會(huì)實(shí)時(shí)顯示在智能飛行控制系統(tǒng)上。微型四旋翼飛行器通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線方式接收智能飛行控制系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制指令控制四個(gè)直流電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)用戶所需的飛行姿態(tài)。

微型四旋翼飛行器由系統(tǒng)主控制器、3軸陀螺儀、3軸加速度計(jì)、3軸磁力計(jì)傳感器、藍(lán)牙無(wú)線通信模塊、USB接口穩(wěn)壓電源、空心杯電機(jī)、狀態(tài)顯示LED燈等組成，其系統(tǒng)功能如圖2所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主控制器

系統(tǒng)主控制器采用STM32F103，該芯片采用高性能的ARM@CortexTM_M3 32?bit的RISC內(nèi)核，其頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器、增強(qiáng)型I/O口和豐富的外設(shè)。其中，包含3個(gè)通用16 b定時(shí)器、2個(gè)12 b ADC和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)、先進(jìn)的通信接口：1個(gè)SPI接口、2個(gè)I2C接口、3個(gè)USART接口、1個(gè)CAN接口和1個(gè)USB接口 [8]，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2 陀螺儀與加速度計(jì)傳感器

陀螺儀與加速度計(jì)采用MPU6050。該芯片集成了3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計(jì)以及1個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器（Digital Motion Processor，DMP）。MPU6050對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了3個(gè)16 b ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量[9]。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍均可由用戶控制。陀螺儀可測(cè)范圍為±250 dps，±500 dps， ±1 000 dps，±2 000 dps，而加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2 g， ±4 g，±8 g，±16 g。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

3.3 磁力計(jì)傳感器

磁力計(jì)傳感器采用HMC5883，該器件是一款表面貼裝的高集成模塊，并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片。包括最先進(jìn)的高分辨率磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、放大器、偏差校準(zhǔn)，能使羅盤精度控制在1°～2°的12 b ADC，能在 ±8高斯的磁場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)5毫高斯分辨率[10]。其采用I2C總線與外部主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其電路原理如圖5所示。

3.4 藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙通信采用BF4030無(wú)線模塊，其支持藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的雙模藍(lán)牙模組，也支持BT3.0 Classic模式以及BT4.0 BLE模式。該模塊遵循BT4.0藍(lán)牙規(guī)范，具有工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點(diǎn)，支持標(biāo)準(zhǔn)BT3.0+EDR、標(biāo)準(zhǔn)BT4.0 BLE協(xié)議、SPP協(xié)議，也支持I2C，SPI，UART通信接口[11]。其電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

4 飛行姿態(tài)控制四元數(shù)算法

用歐拉角控制飛行姿態(tài)，每次都要計(jì)算3次三角函數(shù)，其運(yùn)算量大。為了避免計(jì)算三角函數(shù)，采用姿態(tài)四元數(shù)控制。與歐拉角控制一樣，先求姿態(tài)差，再把姿態(tài)差輸入到PID控制器來(lái)控制油門變化量。當(dāng)前姿態(tài)記為目標(biāo)姿態(tài)記為從當(dāng)前姿態(tài)轉(zhuǎn)到目標(biāo)姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)，即姿態(tài)差，記為則有： （1）

假定姿態(tài)差為小量，三角函數(shù)可以用小角替換。根據(jù)四元數(shù)表示姿態(tài)的意義，由式（2）可知為各軸旋轉(zhuǎn)角的一半，作為PID的輸入式（3），最后根據(jù)式（4），得到控制油門變化量。由于是PID控制器，式（4）中的力矩系數(shù)可以忽略掉。

6 實(shí)物圖片

微型四旋翼飛行器實(shí)物圖片如圖8所示。

7 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)的微型四旋翼飛行器在硬件設(shè)計(jì)上采用“X”型設(shè)計(jì)，飛控板大面積鏤空，這樣在不降低飛控受力的情況下盡可能減輕飛控板重量。同時(shí)，在軟件設(shè)計(jì)上采用四元數(shù)解算飛控姿態(tài)角，運(yùn)算量小，更新速度快；同時(shí)采用PID對(duì)多個(gè)飛控狀態(tài)量進(jìn)行控制，以獲得更穩(wěn)定的飛行效果和更迅速的姿態(tài)響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

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