張國云,，李亞斌,，陳松，羅民,，涂兵,，彭仕玉

　　（湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,，湖南 岳陽 414006）

      摘要：設(shè)計了基于單片機STM8的簡易數(shù)字控制四軸飛行器,，硬件電路設(shè)計主要包括控制電路、傳感器電路,、電機驅(qū)動電路以及無線通信電路等,。在軟件算法上采用四元素姿態(tài)算法，可以完成對飛行角度準(zhǔn)確控制,。最后制作實物后經(jīng)過測試,，該系統(tǒng)能夠達到技術(shù)指標(biāo)設(shè)計要求，而且具有價格低以及操作容易的特點,，可滿足一般玩家娛樂性的要求,。

　　關(guān)鍵詞：數(shù)字控制；四軸飛行器,；四元素算法

0引言

　　近年來,隨著控制技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字控制芯片和功率器件價格的降低,，四旋翼四軸微型飛行器（以下簡稱四軸飛行器）在民用方面得到了廣泛的應(yīng)用。四軸飛行器是一種以4個電機作為動力源泉,，通過調(diào)節(jié)4個電機的轉(zhuǎn)速來控制電機飛行的飛行裝置,。目前市場上的四軸飛行器普遍具有設(shè)計復(fù)雜、操作繁瑣以及價格昂貴的缺點［13］,，針對此現(xiàn)象,，本文設(shè)計一種基于單片機STM8的簡易數(shù)字控制四軸飛行器系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足一般玩家所要求的懸停,、前后運動,、左右運動以及翻滾等操作要求,，而且具有價格低和操作簡單等特點。

1四軸飛行器的工作原理

　　簡易數(shù)字控制四軸飛行器采用4個旋翼螺旋槳作為飛行器的驅(qū)動力,，它受各自4個電機的控制,，兩對旋翼對稱地分布在飛行器的左右和前后方向，而且它們的結(jié)構(gòu)和所處高度完全一致,。設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1所示,。旋翼1和旋圖1四軸飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖翼3逆時針方向旋轉(zhuǎn)，旋翼2和旋翼4順時針方向旋轉(zhuǎn),，4個電機對稱安裝在四軸飛行器的支架末端,，支架中心放置飛行控制處理器和外部傳感器設(shè)備。

　　為了保持四軸飛行器的平穩(wěn)飛行,，本文在四軸飛行器上設(shè)計由3個方向的陀螺儀和3 軸加速度傳感器構(gòu)成的慣性導(dǎo)航控制器,。由于四軸飛行器的電機 1和電機 3逆時針做旋轉(zhuǎn)的同時，電機 2和電機 4順時針做旋轉(zhuǎn),，因此當(dāng)飛行器在平衡飛行時,，外部環(huán)境對飛行器的干擾可以被抵消。 四軸飛行器可以進行簡單的垂直運動,、俯仰運動,、翻滾運動、偏航運動以及前后運動5個運動,，5個運動的工作原理類似,，現(xiàn)以垂直運動為例說明其工作過程，其垂直運動圖示如圖2所示,。由于兩對電機的轉(zhuǎn)向剛好是相反的,，可以平衡其對飛行器的反扭矩，從而保持其平衡,。如果同時增加4個電機的輸出功率,，電機轉(zhuǎn)速的增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力大于整機的重量時,，飛行器便離地垂直上升,。反之，如果同時減小4個電機的輸出功率,，飛行器則垂直下降，直至平穩(wěn)著陸,，從而實現(xiàn)了沿z軸的垂直運動,。當(dāng)外界擾動量是零時，在4個旋翼轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的升力大小等于飛行器自身的重力時,，此時四軸飛行器便處在懸停狀態(tài),，這也是所有玩家最喜歡的懸停狀態(tài)［45］,。

2四軸飛行器的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1控制電路設(shè)計

　　鑒于設(shè)計要求只需要具備簡單的懸停、前后運動,、左右運動以及翻滾等飛行要求,，因此對控制芯片的選取顯得非常重要。原因在于如果選擇控制器性能太好,，會導(dǎo)致系統(tǒng)的價格過高,，超出了當(dāng)初的設(shè)計初衷；如果選擇價格比較低的控制芯片,，那么處理速度和容量達不到設(shè)計要求,。圖5電機驅(qū)動電路原理圖根據(jù)設(shè)計成本和控制性能的需求，所選擇的處理器至少具備以下3項功能： (1)存儲容量要足夠大,，能夠支持四元素融合算法的運算,； (2)有PWM功能，還要有捕獲功能,； (3)串口通信功能,。綜合考慮，本文選取的是單片機STM8,，基本可以滿足設(shè)計要求,。基于STM8的控制電路原理圖如圖3所示［6］,。

　　2.2傳感器電路設(shè)計

　　傳感器的作用要求為四軸飛行器的控制中心提供最精確的數(shù)據(jù)信息,。由于本文所設(shè)計的四軸飛行器比較簡單，因此其負(fù)載能力是非常有限的,，所以傳感器的體積及重量應(yīng)該盡量小,。根據(jù)設(shè)計要求，結(jié)合成本選取傳感器MPU-6050,，該傳感器最大的優(yōu)點是可以消除陀螺儀與加速度傳感器之間軸差的問題,，從而大大地簡化了周圍硬件電路的設(shè)計，其中基于MPU6050的傳感器電路原理圖如圖4所示,。

　　2.3電機驅(qū)動電路設(shè)計

　　對于小型電機驅(qū)動場合,，場效應(yīng)管在功耗、成本和性能方面較其他功率開關(guān)管更具優(yōu)勢,。在選擇功率場效應(yīng)管的同時,，本文選擇PWM調(diào)制方式，即改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)電機電壓的方法就能改變電機的轉(zhuǎn)速,，從而可以方便,、簡單地控制飛行器的運行，其電機驅(qū)動電路原理圖如圖5所示,。

　　2.4無線通信電路設(shè)計

　　無線通信電路是本文設(shè)計的四軸飛行器的重要組成部分,，在現(xiàn)實的使用中,，用戶使用無線模塊對四軸飛行器進行位置控制，其中前后運動,、左右運動,、上升以及懸停是其常用的姿態(tài)控制。由于本文所設(shè)計的簡易低成本四軸飛行器應(yīng)用距離不是很遠(yuǎn),，故選用24L01無線方案,，其無線通信電路原理圖如圖6所示［7］。

3四元素姿態(tài)算法設(shè)計

　　3.1四元素算法介紹

　　四元素算法由一個標(biāo)量以及一個矢量兩部分組成,，標(biāo)量和矢量構(gòu)成超復(fù)數(shù), 它具有實數(shù)和復(fù)數(shù)的所有特征,。它作為已知定位參數(shù)，首先可以準(zhǔn)確判斷剛體的某種姿態(tài),，根據(jù)姿態(tài)可以明確剛體的具體位置信息,，最終可以計算出剛體的準(zhǔn)確位姿。如果把它當(dāng)作是變換算子,，它可以方便地構(gòu)成可以逆轉(zhuǎn)的矩陣算子,，同時這種算子既可以構(gòu)成單邊算子，也可以構(gòu)成雙邊算子,。另外對于任何一種算子它既可以應(yīng)用于半角,，也可以應(yīng)用全角，因此使用非常方便,，而且使用范圍非常寬廣［8］,。

　　3.2四元素算法實現(xiàn)

　　首先把加速度傳感器所測量到的三維向量轉(zhuǎn)成單位向量，繼而把四元素?fù)Q算成方向余弦矩陣中的第三列的3個元素,。根據(jù)余弦矩陣和歐拉角的定義,，地理坐標(biāo)系的重力向量變換到機體坐標(biāo)系，正好是這3個元素,。其中ax,、ay、az是加速度傳感器實際測量得到的重力向量,，而vx,、vy、vz是陀螺積分后的姿態(tài)推算出的重力向量,，它們都是機體坐標(biāo)參照系上的重力向量,。它們之間的誤差向量就是陀螺積分后的姿態(tài)和加速度傳感器測出來的姿態(tài)之間的誤差。向量間的誤差可以用向量叉積來表示,，ex,、ey、ez表示為兩個重力向量的叉積。經(jīng)過運算后的向量叉積仍舊是位于機體坐標(biāo)系上的,，而陀螺積分誤差也位于機體坐標(biāo)系中，而且叉積的大小與陀螺積分誤差成正比例的關(guān)系,，因此可以用來修正陀螺,。由于陀螺是對機體的直接積分，因此對陀螺的修正量會直接體現(xiàn)在對機體坐標(biāo)系的修正上,。然后可以利用叉積誤差來做PI修正陀螺的零偏,，最終可以解出四元素微分方程，這就是四元素算法的整個編程思路,。

　　3.3四元素算法結(jié)果分析

　　為了將四元素姿態(tài)算法應(yīng)用于四軸飛行器,，首先須驗證四元素姿態(tài)算法的正確性和有效性。由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采圖6數(shù)據(jù)采集原理樣,，必須在系統(tǒng)運動時計算角度通過串口顯示在上位機上,，并記錄數(shù)據(jù)。其算法測試原理如圖6所示,。主控芯片在計算出3個方向的角度后,，馬上通過串口以一定的格式傳遞給上位機，這樣就可以記錄數(shù)據(jù),，并驗證數(shù)據(jù),。

　　其四元素姿態(tài)算法測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出所有角度經(jīng)過四元素算法融合之后,，3個方向上的角度都完全正確,，完全能夠滿足四軸飛行器對動態(tài)平衡控制的要求。 

4四軸飛行器軟件程序設(shè)計

　　四軸飛行器采用模塊化設(shè)計,，主要由6個部分組成,，其總體流程框圖如圖8所示。其工作流程圖工程過程分析如下：以STM8單片機為處理核心,，通過SPI接口讀取無線模塊接收機中的用戶數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)是從無線模塊中的發(fā)射機中發(fā)出的；處理器以一定的周期通過IIC接口讀取MPU6050的6個數(shù)據(jù),，分別是3個方向的加速度數(shù)據(jù)和3個方向的角速度數(shù)據(jù),，接下來要進行姿態(tài)融合，通過以四元素為基礎(chǔ)的融合算法,，利用六軸傳感器的數(shù)據(jù)計算出姿態(tài)角,，結(jié)合卡爾曼濾波算法以及低通數(shù)字濾波算法，通過加速度數(shù)據(jù)進行姿態(tài)角補償,，最后準(zhǔn)確計算出四軸飛行器的姿態(tài)［910］,。

5實驗結(jié)果及分析

　　四軸飛行器在完成軟硬件設(shè)計后，制作出實物圖，如圖9所示,。測試工具包括上位機軟件,、串口助手、藍(lán)牙模塊和MATLAB,。整個實驗測試包括懸停測試以及操作性測試,，其中操作性測試包括前后運動、左右運動,、上下運動以及旋轉(zhuǎn)飛行測試,。

　　5.1懸停測試

　　懸停測試主要是驗證四軸飛行器的穩(wěn)定性。懸停測試的具體過程為在玩家給出懸停指令后,，利用藍(lán)牙模圖10懸停測試角度信息測試數(shù)據(jù)

　　塊把姿態(tài)角數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上,，上位機保存數(shù)據(jù)后通過MATLAB軟件顯示飛行器角度信息，其懸停狀態(tài)下角度信息測試數(shù)據(jù)如圖10所示,。從圖10所示的兩種懸停狀態(tài)下角度信息測試數(shù)據(jù)可以看出四軸飛行器在懸停實驗中姿態(tài)角變動基本保持在－4°~＋4°,，完全能夠達到保持穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　5.2操作性測試

　　操作性測試是對四軸飛行器系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性的實驗,，也就是測試飛行器對玩家所發(fā)出的操作指令要求反應(yīng)迅速和精確的實驗,。經(jīng)過對四軸飛行器多次測試，其操作性測試表如表2所示,。從表2可以看出,，本文所設(shè)計的四軸飛行器對于玩家所發(fā)出的指令，反應(yīng)迅速而且完全滿足一般玩家需求,。

6結(jié)論

　　本文設(shè)計了一個簡易數(shù)字四軸飛行器裝置,，采用了四元素作為姿態(tài)融合的工具，實現(xiàn)了在復(fù)雜情況下四軸飛行器的動態(tài)飛行控制,。系統(tǒng)設(shè)計過程包括理論分析,、系統(tǒng)實現(xiàn)方案驗證、硬件設(shè)計,、軟件模塊設(shè)計,、算法設(shè)計與實現(xiàn)驗證、系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)測試等,，最后經(jīng)過多次測試,，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)一般的懸停、左右運動和上升等操作,，可以滿足對價格比較敏感的廣大玩家需求,。

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