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      基于手機通訊的四旋翼飛行器設(shè)計

      2017-12-19 07:57:12西北民族大學李德軍張丕旺彭驛猛魏曉娟
      電子世界 2017年23期
      關(guān)鍵詞:飛控陀螺儀加速度計

      西北民族大學 李德軍 張丕旺 彭驛猛 魏曉娟

      基于手機通訊的四旋翼飛行器設(shè)計

      西北民族大學 李德軍 張丕旺 彭驛猛 魏曉娟

      針對四旋翼飛行器,利用手機通訊實現(xiàn)了對飛行器姿態(tài)的簡單控制。四旋翼飛行器選用STM32F407VGT6作為控制芯片,并且利用MS5611氣壓傳感器和US-100超聲波模塊對飛行器的高度進行實時采集。四旋翼飛行器使用藍牙進行通信,再通過PID算法控制飛行器狀態(tài)。

      四旋翼飛行器;藍牙;PID

      近幾年人工智能和計算機技術(shù)飛速發(fā)展,適用于四旋翼無人機的芯片也越來越多,四旋翼飛行器因具有升降、懸停、前后、左右等基本功能,在外加各種模塊之后在拍照、資源勘探、森林救災(zāi)、新聞報道等領(lǐng)域的表現(xiàn)超然卓絕。

      1.系統(tǒng)設(shè)計構(gòu)架

      如圖1所示,四旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)簡稱飛控,飛控是無人機的核心,硬件主要有中央處理器(MCU),氣壓計、三軸陀螺儀、三軸加速度計等傳感器,以及各種輸入輸出控制電路組成。

      在基于MEMS(微電子機械系統(tǒng))技術(shù)的陀螺和加速度計中,陀螺儀測量物體沿某一軸轉(zhuǎn)動的角速率,加速度計測量物體的重力加速度分量。MCU接受并處理遙控指令和傳感器輸入信號,經(jīng)過快速復(fù)雜的運算,實現(xiàn)對飛機的姿態(tài)調(diào)控,同時用戶可通過手機APP以藍牙通訊的形式實現(xiàn)對飛機的飛行控制。

      四旋翼無人機由飛行控制模塊、對稱交叉分布的四個電機、電池模塊、機架以及與電機對應(yīng)的正反槳葉組成。飛行控制模塊位于機身中央,四個電機分別控制四個旋翼構(gòu)成無人機的動力系統(tǒng),通過對四個電機轉(zhuǎn)速的控制改變電機所提供的扭矩,能夠?qū)崿F(xiàn)無人機在空間六自由度運動。

      2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

      2.1 飛行原理

      四旋翼飛行器選用型號相同的電機,按照四個電機的旋轉(zhuǎn)方向可分為順時針電機和逆時針電機,順時針電機和逆時針電機交叉分布,旋翼的旋轉(zhuǎn)方向與其所在位置有關(guān),相鄰方向的電機轉(zhuǎn)動方向是相反的,同一對角線的電機旋轉(zhuǎn)方向相同,同時正轉(zhuǎn)電機搭配的正面槳葉與反轉(zhuǎn)電機搭配的反面槳葉在旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的推力確保了飛行系統(tǒng)的扭矩平衡,保證四旋翼飛行器不會產(chǎn)生自旋現(xiàn)象。

      2.2 器件選型

      MCU主要采集傳感器的信息并實時解算機體的姿態(tài)角,控制電機轉(zhuǎn)速以及傳輸飛行數(shù)據(jù),飛控芯片選用STM32F407VGT6,該芯片工作頻率達到了168MHZ,集成了高速嵌入式存儲器,閃存高達 1MB,SRAM 高達 192KB,同時擁有非常豐富的可擴展的外圍擴展接口[1],可滿足目前絕大部分市場性能要求。

      3.飛行姿態(tài)控制

      3.1 飛行姿態(tài)的表示

      在飛行器的控制過程中,飛行器的姿態(tài)檢測是不可或缺的部分,位于三維坐標中的三個姿態(tài)角是不能通過現(xiàn)有傳感裝置直接測量的,所以只能通過陀螺儀、加速度計等測量出實時角速度,再將將速度在一段時間內(nèi)進行積分,便能得到運動的角位移,再將這個角位移在三個維度上分別積分,就能得到飛行器在三維空間中的航向角、橫滾角和俯仰角。而飛行器的姿態(tài)便可用得到的橫滾角、航向角以及俯仰角來準確描述。

      圖2 飛行姿態(tài)示意圖

      如圖2所示,用航向角來描述飛行器在平面上的自旋角度,用俯仰角來描述飛行器前后方向在同一平面的高低,橫而滾角則用來描述飛行器左右方向在同一平面的高低。

      3.2 上位機設(shè)計

      上位機軟件應(yīng)用JAVA語言,采用eclipse作為系統(tǒng)開發(fā)平臺進行設(shè)計,并將該設(shè)計移植到安卓5.0版本的手機上,該設(shè)計一共分為兩層,分別為:連接飛控(查找與匹配藍牙)、控制飛行(運用安卓重力感應(yīng)和電子羅盤對飛行的航向控制以及姿態(tài)比例控制)、飛控校準(三軸陀螺儀、加速度計、磁力計校準)、電調(diào)校準(對飛行器的橫滾角、俯仰角、航向角、油門進行校準)以及飛控參數(shù)設(shè)置(6組PID參數(shù)的讀取和寫入)。

      3.3 姿態(tài)解算

      姿態(tài)解算的目的是將陀螺儀、加速度計和磁力計測量的姿態(tài)信息解算成無人機的實時姿態(tài)角,并作為系統(tǒng)的反饋量。陀螺儀直接測量無人機的角速率,對時間積分后得到飛行姿態(tài)角,短時間內(nèi)其測量精度高,但由于噪聲等影響,積分誤差不斷累積,長時間測量會導(dǎo)致其低頻干擾和漂移。[2]

      圖3 姿態(tài)解算流程圖

      在陀螺儀校準的方法上一般有兩種,一種是互補濾波,另一種方法便是本系統(tǒng)用到的卡爾曼濾波,但是互補濾波在最佳PI參數(shù)的選取上會存在困難,同時容易使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的延時。反觀利用卡爾曼濾波不僅可以克服互補濾波的缺點,而且還能在姿態(tài)角發(fā)生突變時,卡爾曼濾波器能快速感知這種變化并迅速做出調(diào)整。

      離散卡爾曼濾波器遞推算法如下:

      其中,矩陣Q為噪聲W(K)的協(xié)方差,R為噪聲v(k)的協(xié)方差。

      3.4 算法實現(xiàn)

      PID 控制:調(diào)節(jié)器的輸出是輸入的比例、積分、微分的函數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)輸入的偏差,按照PID 的函數(shù)關(guān)系進行運算,其結(jié)果用以控制輸出。

      將PID算法離散化

      Kp為比例系數(shù),PID算法里的動態(tài)參數(shù),反應(yīng)系統(tǒng)對指令的響應(yīng)速度快慢;

      Ti為積分系數(shù),PID算法里的穩(wěn)態(tài)參數(shù),用于消除靜差,反應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能;

      Td為微分系數(shù),用于跟蹤超調(diào)量保證系統(tǒng)無反復(fù)振蕩現(xiàn)象,使得系統(tǒng)具有自適應(yīng)的特性。

      4.總結(jié)語

      依據(jù)飛行器飛行原理設(shè)計出系統(tǒng)的硬件以及與系統(tǒng)搭配的軟件,可以實現(xiàn)手機APP與飛行器之間通信,進而對其飛行姿態(tài)進行控制,控制飛行器前后左右上下六個維度的平穩(wěn)飛行,同時如果再加上GPS模塊,可實現(xiàn)飛行器的定點懸停。

      [1]廖義奎編著,ARM CORTEX-M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解:基于STM32F4[M].北京航空航天大學出版社,2013.07:13.

      [2]廖懿華,張鐵民,廖貽泳.基于模糊——比例積分偏差修正的多旋翼飛行器姿態(tài)測算系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(20):19-27.

      Design of Quadrocopter Based on Mobile Communication

      Aiming at the quadrotors,the control of aircraft posture is realized by using cellular communication.The four-rotor aircraft USES STM32F407VGT6 as the control chip and USES the MS5611 pressure sensor and the us-100 ultrasonic module to collect the aircraft in real time.The quadrotors use bluetooth to communicate and control the vehicle state through the PID algorithm.

      four rotor aircraft;Bluetooth;The PID

      李德軍(1995—),重慶萬州人。

      張丕旺(1995—),湖北武穴人。

      彭驛猛(1995—),湖南張家界人,大學本科,現(xiàn)就讀于西北民族大學。

      魏曉娟(1988—),甘肅蘭州人,碩士,講師,主要研究方向:控制工程。

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