植保四軸無(wú)人飛行器關(guān)鍵技術(shù)探討

桂花

（祁陽(yáng)縣農(nóng)機(jī)局，湖南 永州 426100）

植保四軸無(wú)人飛行器關(guān)鍵技術(shù)探討

桂花

（祁陽(yáng)縣農(nóng)機(jī)局，湖南 永州 426100）

筆者首先介紹了四軸飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)及飛行原理，然后分析了飛行器控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，最后探討了飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的獲取與解算以及實(shí)現(xiàn)飛行器穩(wěn)定飛行的控制算法，希望能夠?yàn)榻窈笙嚓P(guān)問(wèn)題的研究提供一定的參考依據(jù)。

植保；四軸飛行器；關(guān)鍵技術(shù)

1 四軸無(wú)人飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)

無(wú)人飛行器通?？梢苑譃閮纱箢?lèi)，一類(lèi)是旋翼機(jī)，另一類(lèi)是固定翼。在這兩種類(lèi)型中，旋翼機(jī)在飛行器中非常普遍。根據(jù)旋翼機(jī)翼數(shù)量的不同，又可分為單旋翼和多旋翼兩種具體類(lèi)型。四軸無(wú)人飛行器和直升機(jī)一樣，都是旋翼機(jī)中的一種，但是和直升機(jī)相比，四軸無(wú)人飛行器的結(jié)構(gòu)有著很大的不同。

圖1 “十”字型和“X”型兩種飛行控制方式

現(xiàn)階段，四軸無(wú)人飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)安排比單旋翼直升機(jī)簡(jiǎn)化了很多，在系統(tǒng)的可靠性方面有了很大的提升。結(jié)合當(dāng)前四軸飛行器的實(shí)際情況來(lái)看，四軸無(wú)人飛行器控制的主流方式主要有“十”字型和“X”型兩種?！笆弊中涂刂骑w行器水平運(yùn)動(dòng)方向與軸臂平行，“X”型控制則是飛行器水平運(yùn)動(dòng)方向與軸臂形成一定的夾角。兩種不同方式的控制具體如圖1所示。

2 四軸飛行器的飛行原理

四軸飛行器更多情況下是一種多旋翼飛行器，這也就造成了它的控制與多旋翼飛行器在很多地方比較相似，因此只要將飛行器各個(gè)方向的控制量通過(guò)軟件合理的分配到多旋翼的各個(gè)旋翼，既可以實(shí)現(xiàn)飛行器的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)控制。四軸飛行器在運(yùn)行過(guò)程中主要存在四種飛行狀態(tài)：垂直飛行、俯仰飛行、橫滾飛行以及偏航飛行。這四種飛行運(yùn)動(dòng)可以改變各旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于四軸飛行器是一種四輸入，六自由度的不穩(wěn)定的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，所以在程序控制中需要考慮旋翼之間協(xié)調(diào)控制，最終控制飛行器的姿態(tài)穩(wěn)定。

3 四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

四軸飛行器主要包含飛行器主體和地面控制與監(jiān)控設(shè)備兩大部分。四軸飛行器主體包含提供主要?jiǎng)恿Φ乃膫€(gè)無(wú)刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)飛行器姿態(tài)的多傳感器模塊、無(wú)線通信設(shè)備等。地面系統(tǒng)主要包括提供飛行控制命令的無(wú)線遙控設(shè)備，提供參數(shù)修改和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的無(wú)線設(shè)備和計(jì)算機(jī)監(jiān)控設(shè)備。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）無(wú)刷直流電機(jī)選型。植保四軸飛行器必須具有一定的帶負(fù)載能力，針對(duì)其研究實(shí)驗(yàn)必須選用功率相對(duì)較大的無(wú)刷直流電機(jī)和相關(guān)的驅(qū)動(dòng)裝置，保證控制模型相似。同時(shí)為了保證試驗(yàn)過(guò)程的安全，以及解決試驗(yàn)中供電問(wèn)題，選擇功率適中的無(wú)刷直流電機(jī)。

（2）飛行控制處理器。四軸飛行器的控制系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理能力要求比較高的系統(tǒng)，需要同時(shí)處理多路復(fù)雜的數(shù)據(jù)，比如遙控器的電平寬度的捕獲，電池的電量采集，姿態(tài)模塊的數(shù)據(jù)采集和處理，四軸旋翼電機(jī)的控制量的輸出等?？刂葡到y(tǒng)不僅要求處理能力強(qiáng)，還要求自身的質(zhì)量輕、體積小，適合安裝在飛行器上。

（3）無(wú)線裝置。根據(jù)植保四軸飛行器的作業(yè)要求，雖然大多時(shí)間都在可視距離內(nèi)，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x較大，所以對(duì)無(wú)線傳輸設(shè)備的傳輸功率有一定的要求。試驗(yàn)平臺(tái)中的無(wú)線裝置包括發(fā)送指令的遙控設(shè)備和用于監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，為了更好地滿足實(shí)驗(yàn)要求，采用了傳輸距離相同的天地飛二代遙控接收裝置和3DR串行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸裝置。

（4）無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。無(wú)刷直流電機(jī)是屬于交流電機(jī)，它與普通的有刷直流電機(jī)存在很大的差異，普通的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路比較簡(jiǎn)單，基本上用脈寬調(diào)制電路和功率放大電路組合就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速控制。而四軸飛行器上采用的無(wú)刷直流電機(jī)是一種外轉(zhuǎn)子的電機(jī)，將磁鋼做成一片片，貼到了外殼上，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，是整個(gè)外殼在轉(zhuǎn)，而中間的線圈定子不動(dòng)。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)程序初始化。STM32系統(tǒng)上電時(shí)，默認(rèn)執(zhí)行系統(tǒng)上電復(fù)位程序，因此開(kāi)啟系統(tǒng)后需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行程序初始化設(shè)置，系統(tǒng)初始化的程序一般只需要執(zhí)行一次，主要完成系統(tǒng)的某些初始化的設(shè)置。程序初始化設(shè)置主要包括時(shí)鐘的初始化、端口的初始化、主要系統(tǒng)參數(shù)的初始化和讀取系統(tǒng)內(nèi)部資源等。在系統(tǒng)啟動(dòng)后，通過(guò)短暫的延時(shí)等待系統(tǒng)各部分正常工作。

（2）軟件系統(tǒng)資源分配。根據(jù)系統(tǒng)中采用的定時(shí)器資源，以及系統(tǒng)硬件各部分的聯(lián)系，程序初始化時(shí)對(duì)處理器與外部相連的 GPIO口進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)置，根據(jù)相關(guān)研究對(duì)飛行控制系統(tǒng)的主要資源端口的說(shuō)明，其中對(duì)于用到的端口均根據(jù)STM32中 V3.5版本中庫(kù)函數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)置，并且在后續(xù)的試驗(yàn)中均工作正常，有效的驗(yàn)證了資源分配的合理性。

4 無(wú)人飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的解算與姿態(tài)控制算法

（1）姿態(tài)數(shù)據(jù)解算。姿態(tài)解算的最終目的是獲取飛行器在某一時(shí)刻準(zhǔn)確的姿態(tài)角度，硬件系統(tǒng)中包含了加速度計(jì)和陀螺儀兩種測(cè)量姿態(tài)角度的傳感器。加速度計(jì)具有很好的靜態(tài)性能，在靜止?fàn)顟B(tài)下能夠準(zhǔn)確的測(cè)量當(dāng)前機(jī)體自身相對(duì)地面坐標(biāo)系的姿態(tài)角度；而陀螺儀則具有較好的動(dòng)態(tài)性能，通過(guò)積分的方式獲取機(jī)身姿態(tài)角度相對(duì)初始角度的變化量來(lái)獲取機(jī)身當(dāng)前的姿態(tài)角度。這兩種方式都存在各自的缺陷，采用陀螺儀積分得到的角度隨著積分時(shí)間增加，偏差越來(lái)越大。

（2）姿態(tài)控制算法。根據(jù)四軸飛行器飛行運(yùn)動(dòng)的原理分析，飛行器整體上屬于一種四輸入，六自由度的欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)耦合的不穩(wěn)定系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)的整體建模分析相對(duì)比較復(fù)雜。但是，通過(guò)數(shù)據(jù)分析后將機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)稱安裝，可以很好地抑制飛行器自身的不穩(wěn)定。根據(jù)飛行器的對(duì)稱性，可以對(duì)飛行器的某個(gè)維度實(shí)施單獨(dú)控制，將飛行器每個(gè)維度控制穩(wěn)定后，在將所有的控制結(jié)合起來(lái)，只需要對(duì)其控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)就可以達(dá)到穩(wěn)定的整體效果。對(duì)于四軸飛行器的姿態(tài)控制主要包括橫滾方向、俯仰方向和航向角的控制，因此四軸飛行器的四個(gè)旋翼的控制量主要由油門(mén)量、橫滾方向輸出量、俯仰方向輸出量和航向角控制量四部分組成。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，四軸無(wú)人飛行器的發(fā)展速度非?？?，應(yīng)用在農(nóng)業(yè)植保作業(yè)中，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但是四軸無(wú)人飛行器在農(nóng)業(yè)植保應(yīng)用領(lǐng)域仍然存在一定的問(wèn)題，需要在日后的發(fā)展中作進(jìn)一步的研究。

［1］鄧矛.關(guān)于四軸飛行器的姿態(tài)動(dòng)力學(xué)建模［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2014，12，（9）：256-256．

Discussion on Key Technology of Plant Protection Four-axis Unmanned Aerial Vehicle

HUI Hua
（Qiyang County Agricultural Machinery Bureau，Yongzhou，Hunan 426100，China）

The paper firstintroduces themechanicalstructure and flightprinciple of the four-axisaircraft，and then analyzes thehardware and software design of theaircraftcontrolsystem，finally discusses theacquisition and calculation of theattitude data of the aircraft and the control algorithm of the stable flight of the aircraft，hoping to provide a reference for the problem of research.

plantprotection；four-axisaircraft；key technology

S252.3

A

2095-980X（2017）05-0117-02

2017-04-30

桂花（1982-），女，助理工程師。