四旋翼飛行器設(shè)計案例分析

　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，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(jié)構(gòu)較為簡單，并且只需通過改變四個馬達的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)控制，且飛行機動能力更加靈活。 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 高性能單片機為核心的飛行控制計算機。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、執(zhí)行機構(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方程。然后在得到四旋翼飛行器的動力學方程之后，適當?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)進行控制。
　　2. 軟件編程，同時進行硬件搭建
　　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做電機控制，PIC18F45K20做超聲測距進行高度保持，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轉(zhuǎn)向相反；而位置相對的一對電動機轉(zhuǎn)向一致（如上圖所示），通過精確調(diào)整這兩對電機的轉(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的轉(zhuǎn)速。
　　其次，為使飛行器保持水平，需要改變某一個電機的轉(zhuǎn)速，以重新保持水平，而這一調(diào)整會引起四個電機反扭矩的不均衡，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)的電機的轉(zhuǎn)速，使其重新達到平衡。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，所以在增大電機丁的轉(zhuǎn)速的同時還需要同步減小電機乙的轉(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，超聲測距主要負責在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來實現(xiàn)了。如果想達到較好的控制效果，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. 進一步修改，以降低飛行器功耗，提高飛行器性能
　　相關(guān)元器件標簽：PIC18F45K20 數(shù)據(jù)手冊 ， nRF2401 數(shù)據(jù)手冊 ， MMA7260 數(shù)據(jù)手冊