基于STM32的馬克1號飛行器的研究與設(shè)計(jì)

郭恒吉 趙亮 黃余雙 楊樂虎

摘 要：四旋翼飛行器的飛行技術(shù)長時(shí)間以來都是研究的重點(diǎn)方向，關(guān)于這方面的課題也越來越多，受到很多無人機(jī)愛好者的青睞和關(guān)注。飛行器體積很小，重量很輕，而且耗能也很低，可應(yīng)用與各個(gè)方面，如灑農(nóng)藥、偵察、執(zhí)行高空飛行任務(wù)以及搭載重物等等。本文簡要介紹了本項(xiàng)目的研究對象“馬克1號”的基本結(jié)構(gòu)和本項(xiàng)目的主要研究內(nèi)容，對馬克1號四旋翼飛行器的發(fā)展意義做出了分析。

關(guān)鍵詞：STM32;馬克1號;飛行器

飛行器近幾年發(fā)展得很火熱，四旋翼飛行器也是很多飛行器愛好者的心頭愛，越來越多的課題專注于飛機(jī)建模和模擬的有效性，以驗(yàn)證其控制策略是否有效可行。通過研究馬克1號四旋翼飛行器可以了解飛行器的姿態(tài)調(diào)整、互補(bǔ)濾波、PI、PD控制并用馬克1號實(shí)現(xiàn)航拍，對地面的監(jiān)控等。

一、馬克1號基本結(jié)構(gòu)

下圖是我們制作的四軸飛行器的抽象圖;

不難看出，將四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)動速度改變就可以控制四軸飛行器的動作，將四個(gè)螺旋槳的力矩和力改變就可以控制四周飛行器的姿態(tài)。

下面我介紹下四軸飛行器的基本組成部分，四軸飛行器主要由以下幾部分組成：

第一部分：機(jī)翼。機(jī)翼由電機(jī)和螺旋槳組成，電機(jī)和螺旋槳分別有四個(gè)，除了二者外還包含有些許固定器件。電機(jī)方面，分別有兩種類型（有刷、無刷）。螺旋槳有兩對，包括正螺旋槳和反螺旋槳。正螺旋槳與反螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向不同，前者是順時(shí)針，后者是逆時(shí)針。

第二部分，電機(jī)。四旋翼電機(jī)為空心杯，槳葉46mm，電池用的小型鋰電池，對角電機(jī)軸距92mm*92mm。無刷直流電機(jī)是是四旋翼飛行器主要的、常用的電機(jī)類型。其優(yōu)點(diǎn)有：第一，結(jié)構(gòu)簡單，可以方便安裝與拆卸;第二，容易控制，更好的保障飛行器的安全。

第三部分，飛控板（飛行控制器）。飛控板不僅可以保持四軸飛行器的平衡，還可以改變左右兩邊的力量大小，調(diào)整四軸飛行器的飛行狀態(tài)，假使失去飛控板，四軸飛行器就會失去平衡，沖撞翻滾。

第四部分，機(jī)架。機(jī)架的軸長短以保證四個(gè)螺旋槳的亂流不互相影響為準(zhǔn)，同時(shí)還要考慮飛控板安裝的位置。

除上面提到的這些外，還有遙控接收器、電子調(diào)速器等，都是四軸飛行器重要的組成部分。

二、馬克1號項(xiàng)目研究內(nèi)容

在硬件設(shè)計(jì)方面，包括以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)：

第一部分，電源。電源供給包括三部分。第一部分為接收機(jī)提供供給，4.2V以上的電壓是接收機(jī)對電源供給的要求;第二部分是為電調(diào)供電從而驅(qū)動電機(jī)，電調(diào)內(nèi)部設(shè)有BEC模塊，鋰電池功率大，可以作為不錯(cuò)的選擇;第三部分是為開發(fā)板供電，這一部分可以用穩(wěn)壓模塊來供電，因?yàn)榉€(wěn)壓模塊更加的穩(wěn)定。第二部分，慣性測量傳感器。分為角速度傳感器、加速度傳感器和三軸地磁傳感器。第三部分，遙控接收器。通過將信號編碼再解碼并處理完成工作。第四部分，電機(jī)驅(qū)動模塊。

在軟件設(shè)計(jì)方面，包括以下幾個(gè)結(jié)構(gòu)：

第一部分，上位機(jī)。上位機(jī)可以顯示各種數(shù)據(jù)，如電量、姿態(tài)等，還可以校正傳感器，是軟件設(shè)計(jì)中很重要的組成部分。第二部分，下位機(jī)，決定飛行器的安全與穩(wěn)定，是MCU里面的程序。

在項(xiàng)目中，第一步我們先要將四驅(qū)飛行器的動力學(xué)模型建立起來。PID是實(shí)用性很強(qiáng)、靈活性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛的一種控制器，基于PID算法，我們可以先設(shè)計(jì)出飛行器的控制系統(tǒng)，即PID控制，這樣參數(shù)比較容易整定。其次，將Backstepping（反步法）應(yīng)用于控制系統(tǒng)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)。最后進(jìn)行對模塊的仿真，可以知道哪種控制系統(tǒng)更加占優(yōu)勢。

三、項(xiàng)目研究意義

四旋翼飛行器在實(shí)際生活中有很多用處，生產(chǎn)生活的各個(gè)方面都對其有很大的需求，不僅能夠大大降低作業(yè)成本，而且可以有力保障人員的安全?，F(xiàn)在的飛行器在商業(yè)，農(nóng)業(yè)，軍事，消防，工業(yè)方面的前景是非常廣闊的，在軍事方面，飛行器可以執(zhí)行偵察與營救任務(wù)，達(dá)到一系列軍事目的，比如在四旋翼飛行器攜帶軍事武器等等，飛行器的研究意義重大。在地質(zhì)研究方面，飛行器可以起到收集科學(xué)的數(shù)據(jù)，對地質(zhì)和林業(yè)進(jìn)行勘探;影視制作方面，可以進(jìn)行航拍，來更好的優(yōu)化攝影效果;農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面，可以用來進(jìn)行高空灑農(nóng)藥，監(jiān)控農(nóng)作物生長速度，從而及時(shí)進(jìn)行病蟲害防治，進(jìn)行田地的勘測，而裝有太陽能電池板的四旋翼飛行器可以進(jìn)行種子的播撒。

它的主要優(yōu)點(diǎn)包括：很好的保證人員安全，同時(shí)，人員也很容易上手操作，操控性很強(qiáng)。旋翼式飛行器在固定翼飛行器的條件上取得了很大的進(jìn)步。較固定翼飛行器相比，旋翼式飛行器在起飛和降落時(shí)，所占的空間小。同時(shí)不僅可以很好的靈活的躲避障礙物，而且旋翼式飛行器的能夠很好地保持姿態(tài)能力。

四、結(jié)語

科技在不斷地發(fā)展，新的控制理論不斷出現(xiàn)，也在不斷的完善。四旋翼飛行器的發(fā)展趨勢也會越來越好，研究者也將不斷擴(kuò)大四旋翼飛行器的應(yīng)用領(lǐng)域，向著智能化不斷發(fā)展，小型高效的新能源也會應(yīng)用其中，從而能夠更好地造福社會。

參考文獻(xiàn)：

[1]何瑜. 四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其姿態(tài)解算和控制算法研究[D].電子科技大學(xué)，2015.

[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(xué)報(bào)，2014，30（20）：19-27.

[3]邱日鵬. 基于四旋翼飛行器的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].南昌航空大學(xué)，2018.