最經典的四旋翼飛行器設計案例

一、項目可行性分析 　

背景分析：

無人飛行器自主飛行技術多年來一直是航空領域研究的熱點，并且在實際應用中存在大量的需求，主要優點包括：系統制造成本低，在執行任務時人員傷害小，具有優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，其優勢還包括：飛行器起飛和降落所需空間少，在障礙物密集環境下的可控性強，以及飛行器姿態保持能力高。小型四旋翼飛行器與其它飛行器相比，其優勢在于其機械結構較為簡單，并且只需通過改變四個馬達的轉速即可實現控制，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，并具有在小區域范圍內起飛，盤旋，飛行，著陸的能力。

因此我們根據四旋翼飛行器的特點，提出了一種數字式飛行控制系統的總體結構。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。采用模塊化設計思想，設計開發一種基于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構形式，建立非線性數學模型。通過引入四個控制量，把非線性模型分解并線性化，得出懸停狀態下四旋翼飛行器簡化的線性模型，采用經典的PID控制方法，并對數字仿真結果進行分析，驗證控制方案的可行性；同時，制作四旋翼飛行器的結構外形和以傳感器、飛行控制計算機、執行機構為核心的主體硬件，在硬件和軟件上都要實行其基本功能。

二、項目內容

本項目研究四軸飛行器，實現飛行、采樣、數據傳輸等功能。所涉及到的技術很多，主要有：軟件算法、微電子、模擬電子技術、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。

1、飛行控制系統理論分析，建立數學模型，硬件選型及原理設計

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鍵受力和力矩，再根據相應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，適當的選取控制量，運用控制理論中經典的PID控制算法。對飛行器系統進行控制。

2、軟件編程，同時進行硬件搭建

考慮到現實實驗室的條件，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做數據傳輸，加速度傳感器MMA7260。圖1就是該系統框圖。
航姿控制控制算法實現：

航姿控制控制算法應該包括姿態控制和航行行為控制。其中空中姿態控制應該是自主完成的，主要包括飛行器的自旋、俯仰、側傾和高度。

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控制問題。為描述方便起見，由下圖簡單示意，后續描述皆以圖為參考：

四軸飛行器的一切控制行為都是通過調整四個動力電機的轉速來實現的。

首先，為了克服飛行器自旋，必須相鄰的任意兩電機轉向相反；而位置相對的一對電動機轉向一致（如上圖所示），通過精確調整這兩對電機的轉速，使其反扭矩相互抵消，在此調整過程中為避免造成飛行器側傾或俯仰角度發生變化，需同步改變位置相對的一對電動機的轉速。
　　其次，為使飛行器保持?平，需要改變某一個電機的轉速，以重新保持水平，而這一調整會引起四個電機反扭矩的不均衡，造?飛行器自旋，故而需要同步調整相對位置的同向旋轉的電機的轉速，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速的同時還需要同步減小電機乙的轉速，以抵消其增加反力矩。
最后，為了保持高度穩定，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。同時三種調整過程是需要有機結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