最經(jīng)典的四旋翼飛行器設計案例，技術(shù)小白也能輕松復現

　　一 項目可行性分析

　　背景分析：

　　無(wú)人飛行器自主飛行技術(shù)多年來(lái)一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)際應用中存在大量的需求，主要優(yōu)點(diǎn)包括：系統制造成本低，在執行任務(wù)時(shí)人員傷害小，具有優(yōu)良的操控性和靈活性等。而旋翼式飛行器與固定翼飛行器相比，其優(yōu)勢還包括：飛行器起飛和降落所需空間少，在障礙物密集環(huán)境下的可控性強，以及飛行器姿態(tài) 保持能力高。小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優(yōu)勢在于其機械結構較為簡(jiǎn)單，并且只需通過(guò)改變四個(gè)馬達的轉速即可實(shí)現控制，且飛行機動(dòng)能力更加靈活。 另一方面，小型四旋翼飛行器具有較高的操控性能，并具有在小區域范圍內起飛，盤(pán)旋，飛行，著(zhù)陸的能力。

　　因此我們根據四旋翼飛行器的特點(diǎn)，提出了一種數字式飛行控制系統的總體結構。飛行控制計算機是四旋翼飛行器自動(dòng)駕駛儀的基本組成部件。采用模塊化設計思想，設計開(kāi)發(fā)一種基于PIC32 高性能單片機為核心的飛行控制計算機。四旋翼飛行器采用對稱(chēng)分布的結構形式,建立非線(xiàn)性數學(xué)模型。通過(guò)引入四個(gè)控制量，把非線(xiàn)性模型分解并線(xiàn)性化，得出懸停狀態(tài)下四旋翼飛行器簡(jiǎn)化的線(xiàn)性模型，采用經(jīng)典的PID 控制方法，并對數字仿真結果進(jìn)行分析，驗證控制方案的可行性;同時(shí)，制作四旋翼飛行器的結構外形和以傳感器、飛行控制計算機、執行機構為核心的主體硬件， 在硬件和軟件上都要實(shí)行其基本功能。

　　二 項目?jì)热?/p>

　　本項目研究四軸飛行器，實(shí)現飛行、采樣、數據傳輸等功能。所涉及到的技術(shù)很多，主要有：軟件算法、微電子、模擬電子技術(shù)、機電一體化和自動(dòng)控制理論等。所以，項目小組將其分析這個(gè)部分，一一攻克。

　　飛行控制系統理論分析，建立數學(xué)模型，硬件選型及原理設計

　　在研究四旋翼飛行器控制算法之前，首先必須建立飛行器系統的動(dòng)力學(xué)模型。在本章中，首先介紹建模的基本方法：選取影響飛行器運動(dòng)的關(guān)鍵受力和力矩，再根據相應的物理定律建立飛行器的動(dòng)力學(xué)方程。然后在得到四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)方程之后，適當的選取控制量，運用控制理論中經(jīng)典的 PID 控制算法。對飛行器系統進(jìn)行控制。

　　2. 軟件編程，同時(shí)進(jìn)行硬件搭建

　　考慮到現實(shí)實(shí)驗室的條件，實(shí)用采用以下的硬件方面采用PIC32做航姿校正控制核心，DsPIC30F4013做電機控制，PIC18F45K20做超聲測距進(jìn)行高度保持，nRF2401做數據傳輸，加速度傳感器MMA7260。圖1就是該系統框圖。

　　航姿控制控制算法實(shí)現：

　　航姿控制控制算法應該包括姿態(tài)控制和航行行為控制。其中空中姿態(tài)控制應該是自主完成的，主要包括飛行器的自旋、俯仰、側傾和高度。

　　而航行行為控制主要是由操作者通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸對飛行器進(jìn)行遙控操作的。如果空中姿態(tài)能夠很好得控制和保持，那么航行行為控制的問(wèn)題也就迎刃而解了。所以以下重點(diǎn)討論空中姿態(tài)控制問(wèn)題。為描述方便起見(jiàn)，由下圖簡(jiǎn)單示意，后續描述皆以圖為參考：

　　四軸飛行器的一切控制行為都是通過(guò)調整四個(gè)動(dòng)力電機的轉速來(lái)實(shí)現的。

　　首先，為了克服飛行器自旋，必須相鄰的任意兩電機轉向相反;而位置相對的一對電動(dòng)機轉向一致(如上圖所示)，通過(guò)精確調整這兩對電機的轉速，使其反扭矩相互抵消，在此調整過(guò)程中為避免造成飛行器側傾或俯仰角度發(fā)生變化，需同步改變位置相對的一對電動(dòng)機的轉速。

　　其次，為使飛行器保持水平，需要改變某一個(gè)電機的轉速，以重新保持水平，而這一調整會(huì )引起四個(gè)電機反扭矩的不均衡，造成飛行器自旋，故而需要同步調整相對位置的同向旋轉的電機的轉速，使其重新達到平衡。例如飛行器由于某種擾動(dòng)造成右傾，此時(shí)需要提高電機丁的轉速從而增加其升力，而此一行為會(huì )造成整個(gè)飛行器順時(shí)針力矩增加從而開(kāi)始自旋，所以在增大電機丁的轉速的同時(shí)還需要同步減小電機乙的轉速，以抵消其增加反力矩。

　　最后，為了保持高度穩定，需要通過(guò)某種手段檢測飛行器的實(shí)時(shí)高度，目前考慮的方案是超聲波測距，日后不排除激光測距和GPS的可能性。不過(guò)超聲測距和GPS的分工不同，超聲測距主要負責在0～10m范圍內的高度檢測，而GPS的精度決定了它只適用于高度較高的情況下保持高度之用。

　　以上談到的都是控制的原理，具體手段就需要通過(guò)單片機來(lái)實(shí)現了。如果想達到較好的控制效果，PID算法是必不可少的。同時(shí)三種調整過(guò)程是需要有機結合在一起組成一個(gè)完備的航姿控制算法體系的，三者相互滲透，相互引用，同時(shí)作用才能達到目的。譬如保持水平的同時(shí)需要隨時(shí)檢測自旋情況，并及時(shí)調整。

　　3. 測試程序，完成飛行器初步功能

　　4. 進(jìn)一步修改，以降低飛行器功耗，提高飛行器性能