基于ARM的一種無(wú)人航拍旋翼飛行器設(shè)計(jì)

引 言

隨著商業(yè)航拍和科研航拍需求不斷增大，無(wú)人航拍旋翼飛行器逐漸進(jìn)入人們的視野。無(wú)人航拍旋翼飛行器以其小巧的體積、靈活的飛行方式以及比載人航拍更低的成本和風(fēng)險(xiǎn)而倍受大家的關(guān)注。但是在使用中出現(xiàn)一系列的不足，如傳統(tǒng)“X”形構(gòu)架四旋翼飛行器電機(jī)末端相交于飛行器中心點(diǎn)，共振現(xiàn)象明顯，航拍效果不佳。市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有具備飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋功能的產(chǎn)品，不易于飛行器狀態(tài)監(jiān)控。本文提出了“H”形構(gòu)架的飛行器有效減輕了震動(dòng)，提高了航拍質(zhì)量。主控 ARM系統(tǒng)采用雙飛控處理系統(tǒng)，如果工作中的 ARM 芯片狀態(tài)異常能夠自動(dòng)切換為另一個(gè) ARM 芯片控制，提高了飛行的安全性。飛行器支持多種飛行模式切換，工作靈活性更高。遙控器上裝有 LED 屏幕，實(shí)時(shí)反饋飛行高度、可提升高度、續(xù)航時(shí)間等信息，增加了飛行的可靠度。

1 原理

1.1 飛行器力學(xué)原理

旋翼飛行器升降運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)依靠同時(shí)改變所有旋翼的速率。水平運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是依靠旋翼產(chǎn)生的力矩。飛行器兩軸的反向旋轉(zhuǎn)是用于平衡和改變每個(gè)邊的力矩，從而產(chǎn)生合力矩或者維持平衡態(tài)。利用合力矩可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若要按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，就要增加旋翼 2 和 4 的速度以克服旋翼 1 和 3產(chǎn)生的力矩。其受力示意圖如圖 1 所示。

以四旋翼飛行器重心為原點(diǎn)建立空間坐標(biāo)系，其中心與坐標(biāo)（x，y，z）相關(guān)，與繞 X 軸翻轉(zhuǎn)角 ψ、繞 Y 翻轉(zhuǎn)角 θ、繞Z 軸旋轉(zhuǎn)角 φ 相關(guān)。式（1）表示旋轉(zhuǎn)關(guān)系：

其中：cθ和sθ分別代表cosθ和sinθ。每個(gè)旋翼產(chǎn)生的力矩相當(dāng)于縱向的力，這些力矩在低速情況下與力呈線性的。此處的4個(gè)輸入力與6個(gè)輸出自由度（x，y，z，θ，ψ，φ）構(gòu)成一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。處于同一軸上的旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同，不同兩軸上的旋翼方向相反，起到了平衡力矩的作用，并且能夠完成相應(yīng)的偏航運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)力和力矩平衡的平衡關(guān)系所得到關(guān)于方程 x，y，z，θ，ψ， φ 的方程 ：

式中 Ki 表示阻尼系數(shù)，因?yàn)樽枇Ξa(chǎn)生的影響極小，所以阻力忽略不計(jì)。由此可以定義4 個(gè)輸入為：

Ji 是對(duì)于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，C 是力與力矩的比例因子。a1 表示了在 Z 軸方向上的加速度，a2、a3 表示輸入的側(cè)傾和俯仰，a4 表示了一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩。因此運(yùn)動(dòng)方程可變?yōu)?：

上式表達(dá)了輸入與輸出之間的關(guān)系，程序設(shè)計(jì)基于以上 物理推導(dǎo)編寫。通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖僃1，F(xiàn)2, F? F4, 由式（12）?（17）可以得到旋翼飛行器的6個(gè)自由度。

1.2飛行原理

該旋翼飛行器最大改進(jìn)在于采用創(chuàng)新的“H”形結(jié)構(gòu)取代 “X”形結(jié)構(gòu)，電機(jī)末端不再交于一點(diǎn)，能有效降低共振，其 構(gòu)架如圖2所示。飛行器的電機(jī)位于“H”形的四個(gè)端點(diǎn)，利 用四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差使其形成不同的飛行姿態(tài)，憑借相對(duì)簡(jiǎn) 單的結(jié)構(gòu)，電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)，此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［3］無(wú)需復(fù)雜的傳 動(dòng)裝置，利于其連續(xù)航行和產(chǎn)品小型化。由電機(jī)控制旋翼轉(zhuǎn)速, 改變旋翼轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖冿w行器升力，達(dá)到變換行姿態(tài)的目的［4］。

圖2旋翼飛行器模型

電機(jī)1和3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，故在 平衡飛行狀態(tài)下，空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)與陀螺效應(yīng)都會(huì)抵消。各 旋翼對(duì)自身施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，可以平衡旋 翼對(duì)自身的反扭矩。控制飛行器的6個(gè)自由度可由改變相應(yīng)電 機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)完成。飛行器可以完成：升降運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（電 機(jī)1和3為軸或電機(jī)2和4為軸）、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、平移運(yùn)動(dòng)（前 后或左右）。

1.2.1升降運(yùn)動(dòng)

若同時(shí)增加4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得向上拉力增加，當(dāng)拉力 大于飛行器重力時(shí)，飛行器便垂直上升；同理，同時(shí)減小所 有電機(jī)轉(zhuǎn)速，到拉力小于重力時(shí)，飛行器則垂直下降；當(dāng)拉 力等于重力時(shí)，飛行器在空中保持懸停姿態(tài)。

1.2.2翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

當(dāng)電機(jī)1轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)3轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)2和4轉(zhuǎn)速 不變時(shí)。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)速改變過(guò)程中，變化速度相等，旋翼1升力 增加，旋翼3升力減小，產(chǎn)生不平衡力矩導(dǎo)致飛行器繞旋轉(zhuǎn)軸 （電機(jī)2和4連線形成的軸）翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同理， 在電機(jī)1轉(zhuǎn)速減小，電機(jī)3轉(zhuǎn)速增加的情況下，飛行器繞旋 轉(zhuǎn)軸向反方向翻轉(zhuǎn)。以電機(jī)1和4為軸的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)原理相同， 只是將變量改為電機(jī)2和4，固定量改為電機(jī)1和3,即可完 成相應(yīng)翻轉(zhuǎn)。

1.2.3旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

運(yùn)用旋翼產(chǎn)生的反扭矩可以完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于空氣阻 力，旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了 消除這種影響，可使兩個(gè)旋翼正轉(zhuǎn)，兩個(gè)旋翼反轉(zhuǎn)，在同一 根軸上的旋翼沿同向旋轉(zhuǎn)。反扭矩的值與旋翼轉(zhuǎn)速相關(guān)，如 果4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，反扭矩互相平衡，飛行器不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)； 如果4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同，飛行器將沿著反扭矩合力方 向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)增加電機(jī)1和3的轉(zhuǎn)速，減小電機(jī)2和4的轉(zhuǎn)速時(shí)， 旋翼2和4對(duì)飛行器的反扭矩將小于旋翼和3對(duì)飛行器的反 扭矩，飛行器沿著反扭矩合力的方向水平旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而作旋轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)，方向同電機(jī)1和3的旋轉(zhuǎn)方向相反。反方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 則提升電機(jī)2和4轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)1和4轉(zhuǎn)速即可。

1.2.4平移運(yùn)動(dòng)

若要在水平面上進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)，飛行器需要受到水平方 向上力的作用才能完成指定運(yùn)動(dòng)。若要向電機(jī)1方向前進(jìn)，貝！ 在提升電機(jī)3轉(zhuǎn)速的同時(shí)降低電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，并保持其余電 機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩依舊要維持平衡狀態(tài)。整個(gè)機(jī)身會(huì)出現(xiàn) 小幅度傾斜，使旋翼拉力有水平分量，因而向前運(yùn)動(dòng)。其余 三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，減小相應(yīng)電機(jī)速率，同時(shí)增大對(duì)角線上電 機(jī)的速率即可完成。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)

旋翼飛行器包括飛行器和飛行控制器兩大部分。

2.1.1飛備構(gòu)架

飛行器由ARM系統(tǒng)、無(wú)線傳輸模塊、陀螺儀模塊、氣 壓計(jì)模塊、曾穩(wěn)云臺(tái)攝像頭系統(tǒng)模塊、GPS模塊、LED模塊 和電機(jī)模塊組成［5］，飛行器構(gòu)架如圖3所示。無(wú)線傳輸模塊 接收來(lái)自遙控器發(fā)出的信號(hào)，進(jìn)而將控制信號(hào)傳輸給ARM系 統(tǒng)，ARM系統(tǒng)I/O 口根據(jù)接受到的信號(hào)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)。陀 螺儀用于飛行器檢測(cè)自身飛行姿態(tài)，通過(guò)陀螺儀狀態(tài)反饋給 ARM系統(tǒng)，再根據(jù)相應(yīng)PID算法，系統(tǒng)能夠得知當(dāng)前飛行姿 態(tài)并進(jìn)行飛行姿態(tài)調(diào)整。氣壓計(jì)模塊用于檢測(cè)氣壓，估算飛 行高度，提供飛行器所處高度和可提升高度等參考信息。增穩(wěn) 云臺(tái)攝像頭系統(tǒng)模塊包含三軸無(wú)刷云臺(tái)等航拍儀器；GPS模 塊用于飛行器定位；LED模塊顯示飛行前各種參數(shù)及校準(zhǔn)信息；電機(jī)模塊包含4個(gè)電機(jī)、旋翼和相關(guān)電路。

2.1.2飛行控制器構(gòu)架

飛行控制器由ARM最小系統(tǒng)模塊、飛行控制模塊、無(wú) 線傳輸模塊、LED顯示模塊4部分組成，其構(gòu)架如圖4所示。 ARM系統(tǒng)為控制器收發(fā)指令、處理數(shù)據(jù)、顯示信息的控制中 樞。飛行控制模塊由遙控器上的搖桿、A/D轉(zhuǎn)換芯片和相應(yīng) 傳感器組成，能夠?qū)⒖刂浦噶畎l(fā)送至主控芯片。無(wú)線傳輸模 塊將一系列的控制指令傳發(fā)送給飛行器，同時(shí)接收飛行器反 饋回來(lái)的狀態(tài)信息。LED模塊用于顯示飛行器反饋回來(lái)的各 種飛行信息。

LED顯示模塊2.1.3飛行器性能指標(biāo)

控制器核心處理器采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的 STM32F4系統(tǒng)高性能處理器，配合六軸加速度和陀螺儀傳 感系統(tǒng)MPU6000，高精度數(shù)字氣壓計(jì)MS5611，電子羅盤 HMC5883, GPS采用高精度UBLOX-LEA6H系列，無(wú)線模 塊使用NRF24L01+PA+LNA,機(jī)身使用高硬度碳纖維材料, 云臺(tái)使用三軸無(wú)刷云臺(tái)。飛行器可控裸視半徑1 000 m，飛行 器空載重量1.1 kg，帶增穩(wěn)云臺(tái)攝像系統(tǒng)重量1.4 kg，最大飛 行高度800 m，最大移動(dòng)速度10 km/h，2 200 mAh電池供電 空載安全續(xù)航時(shí)間20分鐘，帶增穩(wěn)云臺(tái)攝像系統(tǒng)安全續(xù)航時(shí) 間10分鐘。

該方案包含5種飛行模式：

姿態(tài)飛行模式：純遙控器操作飛行器上升下降、左 右前后飛行，飛行器不維持高度和懸停位置。

定高飛行模式：飛行器自動(dòng)控制飛行高度，操縱者 控制飛行器左右前后飛行，飛行器自動(dòng)維持咼度，并可以以一 定速度爬升和下降，飛行器不維持懸停位置。

GPS飛行模式：飛行器自動(dòng)控制飛行高度，并在無(wú) 操作時(shí)自動(dòng)維持位置懸停。

返航模式：包括失控返航和切換返航，當(dāng)飛行器丟 失遙控信號(hào)時(shí)，通過(guò)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)回到起飛點(diǎn)。切換返 航則是操作者主動(dòng)撥桿切換返航回起飛點(diǎn)。

航點(diǎn)模式：飛行器根據(jù)地面站設(shè)置的GPS位置信息, 逐個(gè)航點(diǎn)巡航飛行。

2.2飛行器ARM系統(tǒng)

本方案采用的ARM系統(tǒng)模塊集成度高、精度高、實(shí)時(shí) 性強(qiáng)、功耗低、主控體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)和成本 低，故使航拍式旋翼飛行器具有集成度高、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、 功耗低、主控體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)和成本低的特點(diǎn)。 并使用創(chuàng)新的雙飛控系統(tǒng)，在一個(gè)ARM系統(tǒng)損壞的情況下能 切換到另一個(gè)ARM系統(tǒng)繼續(xù)安全飛行。

圖5雙飛控系統(tǒng)

如圖5所示，雙飛控處理單元分別通過(guò)隔離模塊連接到 仲裁芯片，仲裁芯片自動(dòng)判別正常工作的飛控并穩(wěn)定輸出正確 信號(hào)，也可通過(guò)飛行控制器手動(dòng)經(jīng)過(guò)切換。切換過(guò)程完全不經(jīng) 過(guò)任何處理器，仲裁芯片使用多通道數(shù)據(jù)選擇器，簡(jiǎn)單可靠。

3軟件系統(tǒng)

3.1飛行器軟件設(shè)計(jì)

基于上述飛行物理原理對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先飛行器啟 動(dòng)，軟件系統(tǒng)對(duì)外部設(shè)備、氣壓計(jì)模塊、陀螺儀模塊初始化, 然后進(jìn)行陀螺儀校準(zhǔn)(校準(zhǔn)時(shí)需要將飛行器保持水平)。收到 飛行控制器的起飛指令后確認(rèn)飛行模式，若為航點(diǎn)定向模式則 飛行程序按照自指定航向自動(dòng)運(yùn)行，若為手動(dòng)操控模式則實(shí)時(shí) 接收控制器指令。若系統(tǒng)異常(如監(jiān)聽異常、電機(jī)異常)或收 到降落指令則飛行器降落。

打開飛行控制器開關(guān)，軟件系統(tǒng)首先檢查無(wú)線模塊、搖桿、 顯示系統(tǒng)是否正常。正常運(yùn)作后不斷采集搖桿信號(hào)，ARM將 收到的信號(hào)程序處理成相應(yīng)控制代碼由無(wú)線模塊發(fā)送；同時(shí) 程序不斷將收到的數(shù)據(jù)處理成可讀信息實(shí)時(shí)顯示在LED屏幕 上。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中一旦收到模式轉(zhuǎn)換指令，程序自動(dòng)切換到 相應(yīng)算法。

4結(jié)語(yǔ)

按照此方案設(shè)計(jì)的無(wú)人航拍旋翼飛行器，“H”形結(jié)構(gòu)有效降低了共振現(xiàn)象，使航拍效果更好 ；基于 ARM 的雙飛控方案提高了飛行可靠度 ；高集成度的精簡(jiǎn)電路設(shè)計(jì)和碳纖維機(jī)身使飛機(jī)功耗很低，續(xù)航時(shí)間持久。在實(shí)際使用過(guò)程中，安全飛行時(shí)間內(nèi)始終保持高穩(wěn)定度、高質(zhì)量航拍 ；飛控系統(tǒng)切換迅速，幾乎不影響飛行的連貫性 ；多種飛行模式切換靈活方便。

20211223_61c434ffed514__基于ARM的一種無(wú)人航拍旋翼飛行器設(shè)計(jì)