HC-SR04+MS5611的四軸飛行器PCB設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)功能概述

1.1 四軸飛行器原理介紹

四軸飛行器通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。結(jié)構(gòu)上，本次應(yīng)用中使用四軸飛行器的飛行模式是 X 模式，如圖“圖 1.1”所示，四軸飛行器的四個(gè)電機(jī)一對正轉(zhuǎn)，一對反轉(zhuǎn)使得垂直方向旋轉(zhuǎn)的反扭矩平衡, 從而保證了飛行的穩(wěn)定。四軸飛行器可以用作航拍、玩具等，

在我們生活中已經(jīng)越來越常見。

圖 1.1 四軸飛行器飛行模式（X 模式）

四軸飛行器的基本飛行狀態(tài)可以分為：垂直飛行、水平飛行（俯仰和翻滾）、偏航飛行，分別如“圖 1.2”所示。（1）垂直飛行：如下圖（a）所示，同時(shí)增加或減少四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，四軸飛行器則會垂直上升或下降。（2）水平飛行：如下圖（b）所示，增加兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如電機(jī) M1 和 M4，同時(shí)減少另兩個(gè)電機(jī) M2和 M3 的轉(zhuǎn)速，則四軸飛行器將向右飛行，同理可得向前、向后、向左方向的飛行方式。（3）偏航飛行：如下圖（c）所示，增加兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如電機(jī) M1 和 M3，同時(shí)減少另兩個(gè)電機(jī) M2和 M4 的轉(zhuǎn)速，則四軸飛行器將順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，同理可得逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)的飛行方

圖 1.2 四軸飛行器飛行

1.2 PID 平衡控制

對于四軸飛行器平衡控制算法中，電機(jī)的轉(zhuǎn)速并不是單獨(dú)由油門來決定，而是以油門為基準(zhǔn)整合上空間三軸俯仰（Pitch）、翻滾（Roll）和偏航（Yaw）的控制量來決定，如下公式所示。

例如，四軸飛行器機(jī)頭向下傾斜時(shí)（對應(yīng)俯仰），為了達(dá)到平衡，電機(jī) 3 和電機(jī) 4 增大轉(zhuǎn)速，電機(jī) 1 和電機(jī) 2 減小轉(zhuǎn)速，此時(shí)俯仰控制量應(yīng)該向負(fù)增大（控制量的正負(fù)由姿態(tài)芯片 MPU6050 擺放決定）。

電機(jī) 1 轉(zhuǎn)速 = 油門 + 俯仰 + 橫滾 - 偏航

電機(jī) 2 轉(zhuǎn)速 = 油門 + 俯仰 - 橫滾 + 偏航

電機(jī) 3 轉(zhuǎn)速 = 油門 - 俯仰 - 橫滾 - 偏航

電機(jī) 4 轉(zhuǎn)速 = 油門 - 俯仰 + 橫滾 + 偏航

上述的三軸控制量則由本系統(tǒng)中使用的增量式 PD 控制得到（PID 控制算法的一種）。以俯仰控制量為例，MPU6050 可以得到空間三軸的旋轉(zhuǎn)角速率，正好是角度的微分，所以可以得到以下計(jì)算公式。

俯仰（Pitch）控制量 = P * 對應(yīng)期望角度與實(shí)際角度的偏差 + D * 對應(yīng)軸的角速率值

翻滾（Roll）控制量 = P * 對應(yīng)期望角度與實(shí)際角度的偏差 + D * 對應(yīng)軸的角速率值

偏航（Yaw）控制量 = D * 對應(yīng)軸的角速率值

由于實(shí)際偏航角（Yaw）無法由 MPU6050 測得，需要用電子羅盤，但是電子羅盤在四個(gè)電機(jī)的電磁作用下，精度受影響較大，所以上式中偏航（Yaw）控制量去除比例項(xiàng)，僅由微分項(xiàng)得到。

MPU6050 的姿態(tài)刷新頻率約為 10ms 一次

1.3 定高控制

高度的采集通過超聲波模塊 HC-SR04 實(shí)現(xiàn)，由于測量距離的限制（約 2cm-120cm），本系統(tǒng)僅適用于室內(nèi)低空飛行，默認(rèn)高度設(shè)定為 60cm。

定高部分算法，根據(jù)超聲波檢測的距離進(jìn)行 PID 控制，定高控制的輸出量與初始油門（由機(jī)身本身的重力和當(dāng)前電池電量決定）疊加作為當(dāng)前油門，從而不斷調(diào)節(jié)四軸飛行器油門值來實(shí)現(xiàn)垂直方向上的定高，而水平方向由于缺少 GPS 相關(guān)模塊，未能得到進(jìn)行水平方向的控制量，所以本系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)簡單的懸停。

超聲波模塊 HC-SR04 置于四軸飛行器底部，高度刷新頻率約為 50ms 一次。

1.4 四軸飛行器演示板

本篇用戶手冊使用的演示板如“圖 1.3”所示，單片機(jī) R7F0C014 通過 I/O 端口模擬 IIC 控制姿態(tài)芯片MPU6050，然后使用 MPU6050 的硬件解算（內(nèi)置的 DMP 模塊）直接獲取和姿態(tài)相關(guān)的四元數(shù)等數(shù)據(jù)，再將四元數(shù)轉(zhuǎn)化為歐拉角，最后以當(dāng)前姿態(tài)角和捕捉的遙控?cái)?shù)據(jù)為控制量，通過 PID 控制四個(gè)電機(jī)以達(dá)到控制四軸飛行器姿態(tài)的目的。通過 MPU6050 的硬件解算，可以避免復(fù)雜的姿態(tài)融合算法，從而減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。

圖 1.3 四軸飛行器演示板

系統(tǒng)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖如“圖 1.4”所示。為了硬件的安裝和固定，演示板背面并沒有貼裝任何器件，而是直接固定在機(jī)架上。機(jī)架的底部用于放置鋰電池，并固定超聲波模

圖 1.4 四軸飛行器整機(jī)正面和背面

1.5 操作說明

（1）啟動：依次打開四軸飛行器和遙控器的電源開關(guān)，四軸飛行器的四個(gè)機(jī)翼處 LED 將會閃爍兩秒，然后變?yōu)槌Ａ痢?/p>

（2）解鎖：將遙控器左手邊的油門拉至最低，油門搖桿上方的藍(lán)色 LED 點(diǎn)亮，解鎖完成（注意：解鎖完成前不要操作方向搖桿），此時(shí)，右手方向搖桿上方的藍(lán)色 LED 不斷閃爍，表明和四軸飛行器通信正常，便可以開始遙控飛行器。

（3）定高飛行：此功能僅限室內(nèi)低空飛行（1.5 米以內(nèi)）。解鎖完畢后，拉高油門，待四軸飛行器達(dá)到一定高度后，按下遙控器最右下方按鍵，進(jìn)入定高飛行，四軸飛行器會定高在默認(rèn)設(shè)定的 0.6 米處飛行。再次按下此按鍵，四軸飛行器將自動降落，落地后需將油門拉至最低。

注意：因四軸飛行器飛行過程中，電機(jī)的電流消耗較大，可以達(dá)到數(shù)安培，飛行時(shí)間只能持續(xù)幾分鐘，當(dāng)機(jī)翼處 LED 閃爍時(shí)，說明電池電量已過低，為了安全起見，請充電后再使用。

圖 1.5 四軸飛行器和遙控器

圖 1.6 四軸飛行器整機(jī)加外殼

1.6 四軸飛行器的不足和可改進(jìn)之處

（1）四軸飛行器定高：由于本應(yīng)用使用超聲波定高（硬件限制），所以只適用于室內(nèi)低空定高飛行。對于室外高空定高飛行，用戶可以根據(jù)需要加入氣壓計(jì) MS5611 實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)中也預(yù)留了此部分電路。但是由于場地環(huán)境限制，以及測試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)氣壓計(jì) MS5611 存在測量精度不足和數(shù)據(jù)隨時(shí)間漂移等問題，因此沒有添加此部分功能。如有條件及需求，用戶可以自行添加此部分功能。

（2）姿態(tài)控制：姿態(tài)獲取方面，本應(yīng)用使用姿態(tài)芯片 MPU6050 的硬件 DMP 功能直接讀取并計(jì)算得到當(dāng)前姿態(tài)，由于讀取的周期限制（約 10ms），姿態(tài)的更新頻率有限。用戶也可以采用讀取 MPU6050三軸重力加速度和三軸陀螺儀數(shù)據(jù)來獲取當(dāng)前姿態(tài)，但是需要經(jīng)過較為復(fù)雜的姿態(tài)運(yùn)算和濾波（如卡爾曼濾波），建議采用高主頻的 MCU 實(shí)現(xiàn)（如 72MHz 以上），以提高姿態(tài)的更新頻率。而姿態(tài)控制算法方面，本應(yīng)用使用的是相對簡單的單級 PID 控制，用戶也可以選擇串級 PID 控制以達(dá)到更好的控制效果。

（2）參數(shù)調(diào)節(jié)：系統(tǒng)中的姿態(tài)和定高的 PID 參數(shù)等適用于本套機(jī)械結(jié)構(gòu)，是經(jīng)過多次試驗(yàn)，得到的較優(yōu)參數(shù)，用戶需要根據(jù)自己的系統(tǒng)選擇和調(diào)試相應(yīng)參數(shù)，調(diào)試四軸飛行器時(shí)，請做好一定保護(hù)措施，防止意外情況。

（3）遙控距離：由于本系統(tǒng)遙控器采用的是 PCB 天線，遙控器的發(fā)射功率強(qiáng)度有限，以致操控有效距離不到 10 米。用戶可以使用更大的天線（如鞭狀天線）加入遙控器的 2.4GHz 發(fā)射部分，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控。

1.7 安全注意事項(xiàng)

四軸飛行器具有一定危險(xiǎn)性，操作不當(dāng)可能會發(fā)生人身傷害。在調(diào)試四軸飛行器的時(shí)候，最好在室外空曠地方，并做好一定保護(hù)措施。剛接觸四軸飛行器的用戶，應(yīng)盡量在近距離低空飛行，熟練操作。如出現(xiàn)操作失誤，應(yīng)快速拉低油門，使四軸飛行器盡快降落，防止失控發(fā)生意外。

四軸飛行器演示板介紹

四軸飛行器演示板

四軸飛行器演示板的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下