四轴飞行器设计概述

1、四轴飞行器设计概述四轴飞行器设计概述褚凯褚凯0909电子信息工程电子信息工程01011 1一、四轴简介及其发展前景二、系统组成三、硬件及控制算法四、后续研究2 2四轴简介及其发展前景什么是四轴飞行器？什么是四轴飞行器？3 3四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，也是一种智能机器人。其构造特点是在它的四个角上各装有一旋翼，由电机分别带动，叶片可以正转，也可以反转。为了保持飞行器的稳定飞行，在四轴飞行器上装有3个方向的陀螺仪和3 轴加速度传感器组成惯性导航模块，通过电子调控器来保证其快速飞行。四轴简介及其发展前景如何运动？如何运动？4 4“+”型飞行模式“X”型飞行模式四轴简介及其发展前景其发展前景如

2、何？其发展前景如何？5 5四轴飞行器可搭载GPS、北斗导航系统、高清摄像头、各种科研设备甚至武器系统，民用型的飞行器可执行灾情调查救援任务如水灾、火灾、地震等；喷洒农田、林区农药；监测化工厂等危险场所的危险气体的浓度；巡查输油管线、输电线路；连续监控重要的设施；区域性空地、空海通讯中继等。军用的飞行器可执行高空定点侦查，情报搜寻以及武装攻击等高风险任务。系统组成四大部分：四大部分：机械结构无刷电机驱动飞控电路板飞控算法6 6系统组成飞行控制电路板飞行控制电路板7 7系统组成姿态检测模块（姿态检测模块（AHRSAHRS）1.三轴加速度计2.三轴陀螺仪3.三轴地磁仪4.气压计8 8系统组成飞控算法

3、飞控算法1.滤波融合算法2.平衡控制算法3.自稳控制算法4.飞行控制算法9 9硬件及控制算法主要硬件模块主要硬件模块：从设计初期到最终完成设计一共设计并投板2版PCB。其中第一版主要包含电源供应电路、4路电机驱动接口、STM32最小系统电路、SWD下载调试接口、启动方式选择接口、NRF24L01无线模块接口、一个串口接口、三轴加速度计三轴陀螺仪MPU6050驱动电路、地磁仪HMC5883驱动电路以及OLED液晶模块显示接口。第二版主要包含电源供应电路、8路电机驱动接口、STM32最小系统、JLINK下载调试接口、启动方式选择接口、NRF24L01无线模块接口、蓝牙串口模块驱动电路、2个串口接口

4、、三轴加速度计三轴陀螺仪MPU6050驱动电路、地磁仪HMC5883驱动电路、气压计BMP180驱动电路、OLED液晶模块显示接口、GPS导航模块接口、蜂鸣器电路以及电压监测电路，并将其余几乎所有闲置IO口引出，方便后期功能升级扩展。硬件及控制算法主控芯片主控芯片使用STM32F103系列芯片，型号为STM32F103VET6，该芯片为增强型32位基于ARM核心Cotex-M3的微控制器，自带512K字节闪存，高达64K字节SRAM。最高支持72M工作频率，3个12位AD转换器（多达21个转换通道），转换时间最低达到1us，并包含2通道12位DA转换器。12通道DMA控制器，多达11个定时器和

5、13个通信接口1111硬件及控制算法最小系统最小系统1212硬件及控制算法下载与启动方式选择电路下载与启动方式选择电路1313硬件及控制算法电源供应电路电源供应电路1414硬件及控制算法滤波电路滤波电路1515硬件及控制算法MPU6050MPU6050MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MPU-6050的角速度全格感测范围为250、500、1000与2000/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为2g、4g、8g与16g。1616硬件及控制算法MPU6050MPU60

6、50驱动电路驱动电路1717硬件及控制算法HMC5883HMC5883HMC5883是一种表面贴装的高集成度、带有IIC数字接口的弱磁传感器芯片。它内含有最先进的高分辨率磁阻传感器，并附带霍尼韦尔专利的集成电路（包括有放大器、自动消磁驱动器和偏差校准等），具有12位模数转换器能使罗盘精度控制在12之间，测量范围从毫高斯到8高斯(gauss)。1818硬件及控制算法HMC5883HMC5883驱动电路驱动电路1919硬件及控制算法HC-05HC-05HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块具有两种工作模式：命令响应工作模式和自动连接工作模式，在自动连接工作模式下模块又可分为主从和回环三种工作角色。当模块

7、处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接的数据传输；当模块处于命令响应工作模式时能执行所有AT命令，用户可为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）输入电平，可以实现模块工作状态的动态转换。2020硬件及控制算法蓝牙串口模块驱动电路蓝牙串口模块驱动电路2121硬件及控制算法第一版飞控第一版飞控2222硬件及控制算法2323硬件及控制算法第二版飞控第二版飞控2424硬件及控制算法2525硬件及控制算法滤波融合算法滤波融合算法1.滑动窗口滤波法把连续取N个采样值看成一个队列，队列的长度固定为N，每次采样到一个新数据放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据(先进先出原

8、则)，把队列中的N个数据进行算术平均运算，就可获得新的滤波结果。2.一阶滞后滤波法取a=0到1，本次滤波结果=（1-a）*本次采样值+a*上次滤波结果。2626硬件及控制算法滤波效果滤波效果2727N=20 A=0.3硬件及控制算法2828N=35 A=0.2硬件及控制算法2929N=50 A=0.1硬件及控制算法融合算法融合算法加速度计是用来检测加速度的，实际使用中测量角度是利用静态时只存在重力加速度，再使用反正弦求出角度。而在运动的物体上时，物体运动时会产生与运动方向相同的一个加速度分量，该加速度分量会叠加在重力加速度上，使角度测量产生很大偏差。陀螺仪用来检测当前轴的角速度，可以很好的抗震

9、动和干扰，对陀螺仪一段微小时间内的角速度进行积分，积分后的结果就为此段时间该轴旋转的角度。而众所周知，积分会产生累计误差，当累计误差达到一定大小，会对系统造成很大影响，使整个系统稳定性降低。3030互相补偿融合互相补偿融合硬件及控制算法3131硬件及控制算法3232硬件及控制算法平衡自稳控制算法平衡自稳控制算法3333PID控制器原理框图硬件及控制算法在实际使用中，以X轴平衡为例，使用到了两套PID算法，对陀螺仪的数据进行PD运算，可使飞行器在某一范围内稳定或者很缓慢的偏移，并且可以抗大的扰动，此为飞行器平衡算法。但单独依靠此算法飞行器无法自动回到零点，这就需要对飞行器的实时角度进行PI运算或PID运算，当飞行器发现与零点有偏差，PI运算立刻起作用，修正飞行器角度，此为飞行器自稳算法。3434硬件及控制算法飞行控制算法飞行控制算法四轴飞行器在四角上安装有四个电机，所有的飞行姿态都由四个电机来控制，包括横滚（绕x轴旋转）、俯仰（绕y轴旋转）、航偏（绕z轴旋转）。在x、y、z轴设立零点角度值Angle_x0、Angle_y0、Angle_z0，设现在实时角度值为Angle_x、Angle_y、Angle_z，则现在偏差为：Angle_Error_x=Angle_x-Angle_x0；Angle_Error_y=Angle_y-Angle_y0；