最經(jīng)典的四旋翼飛行器設(shè)計案例，技術(shù)小白也能輕松復(fù)現(xiàn)

一 項目可行性分析

背景分析：

無人飛行器自主飛行技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點，并且在實際應(yīng)用中存在大量的需求，主要優(yōu)點包括：系統(tǒng)制造成本低，在執(zhí)行任務(wù)時人員傷害小，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(qiáng)，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(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡單，并且只需通過改變四個馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)控制，且飛行機(jī)動能力更加靈活。 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(qū)域范圍內(nèi)起飛，盤旋，飛行，著陸的能力。

因此我們根據(jù)四旋翼飛行器的特點，提出了一種數(shù)字式飛行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。飛行控制計算機(jī)是四旋翼飛行器自動駕駛儀的基本組成部件。采用模塊化設(shè)計思想，設(shè)計開發(fā)一種基于PIC32 高性能單片機(jī)為核心的飛行控制計算機(jī)。四旋翼飛行器采用對稱分布的結(jié)構(gòu)形式,建立非線性數(shù)學(xué)模型。通過引入四個控制量，把非線性模型分解并線性化，得出懸停狀態(tài)下四旋翼飛行器簡化的線性模型，采用經(jīng)典的PID 控制方法，并對數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行分析，驗證控制方案的可行性;同時，制作四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)外形和以傳感器、飛行控制計算機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)為核心的主體硬件， 在硬件和軟件上都要實行其基本功能。

二 項目內(nèi)容

本項目研究四軸飛行器，實現(xiàn)飛行、采樣、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。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(jī)電一體化和自動控制理論等。所以，項目小組將其分析這個部分，一一攻克。

飛行控制系統(tǒng)理論分析，建立數(shù)學(xué)模型，硬件選型及原理設(shè)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(tǒng)的動力學(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的關(guān)鍵受力和力矩，再根據(jù)相應(yīng)的物理定律建立飛行器的動力學(xué)方程。然后在得到四旋翼飛行器的動力學(xué)方程之后，適當(dāng)?shù)倪x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(tǒng)進(jìn)行控制。

2. 軟件編程，同時進(jìn)行硬件搭建

考慮到現(xiàn)實實驗室的條件，實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(jī)控制，PIC18F45K20做超聲測距進(jìn)行高度保持，nRF2401做數(shù)據(jù)傳輸，加速度傳感器MMA7260。圖1就是該系統(tǒng)框圖。

航姿控制控制算法實現(xiàn)：

航姿控制控制算法應(yīng)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(yīng)該是自主完成的，主要包括飛行器的自旋、俯仰、側(cè)傾和高度。

而航行行為控制主要是由操作者通過無線傳輸對飛行器進(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題也就迎刃而解了。所以以下重點討論空中姿態(tài)控制問題。為描述方便起見，由下圖簡單示意，后續(xù)描述皆以圖為參考：

四軸飛行器的一切控制行為都是通過調(diào)整四個動力電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。

首先，為了克服飛行器自旋，必須相鄰的任意兩電機(jī)轉(zhuǎn)向相反;而位置相對的一對電動機(jī)轉(zhuǎn)向一致(如上圖所示)，通過精確調(diào)整這兩對電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其反扭矩相互抵消，在此調(diào)整過程中為避免造成飛行器側(cè)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機(jī)的轉(zhuǎn)速。

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

最后，為了保持高度穩(wěn)定，需要通過某種手段檢測飛行器的實時高度，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。不過超聲測距和GPS的分工不同，超聲測距主要負(fù)責(zé)在0～10m范圍內(nèi)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單片機(jī)來實現(xiàn)了。如果想達(dá)到較好的控制效果，PID算法是必不可少的。同時三種調(diào)整過程是需要有機(jī)結(jié)合在一起組成一個完備的航姿控制算法體系的，三者相互滲透，相互引用，同時作用才能達(dá)到目的。譬如保持水平的同時需要隨時檢測自旋情況，并及時調(diào)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