大学生创新创业训练项目研究报告

河北大学工商学院

大学生创新创业训练项目研究报告

题目：

项目编号

学 部 信息科学与工程学部 年级专业 2012级自动化

负 责 人

主要成员

指导教师

2015年1月14日

四轴飞行器系统的研究与制作

一、 摘 要

本设计实现基于STM32开发板的X字形四旋翼飞行器，四旋翼由主控制板、陀螺仪、电机模块、双摄像头定位模块等五部分组成。其中，控制核心STM32负责飞行器姿态数据接收和飞行姿态控制；陀螺仪采用 MPU6050模块，该模块经过卡尔曼滤波处理采集的数据，输出数据，用PID控制算法对数据进行处理，同时，解算出相应电机需要的的PWM增减量，及时调整电机转速，调整飞行姿态，使飞行器的飞行的更加稳定。电机模块通过电调控制无刷直流电机，双摄像头模块给空间一点定位，是飞行器飞行到该点位置。

关键词：四旋翼；PID控制；陀螺仪，姿态角，电机控制 The design -based STM32 development board X -shaped four-rotor aircraft, four-rotor consists of five main control panel , gyroscope , motor modules , dual camera positioning

modules and other components . Which is responsible for spacecraft attitude control core STM32 data reception and attitude control ; gyroscope using MPU6050 module , the module data collected through Kalman filtering , output data , using PID control algorithm for data

processing , at the same time , the solution calculates the corresponding motor PWM increase or decrease in the amount needed , timely adjustment of the motor speed , flight attitude adjustment to make the aircraft more stable flight . Motor module power transfer control of brushless DC motors, dual camera module to locate a point in space , is an aircraft flying to the point .

二、 内 文

（一） 引言

近年来，随着新型材料、微电机，微惯导以及飞行控制等技术的进步，微小四轴飞行器得到了迅速发展，逐渐成为人们关注的焦点。飞行器依据机翼类型可以分为旋翼飞行器和固定翼飞行器两种。由于旋翼飞行器只需要调节电机的旋转速度便可实现飞行导航的控制，而且体积相对固定翼飞行器来说小得多，可在很多复杂的环境中应用。又由于它可以实现垂直起降，浮停着陆面积小等优点，也决定了它将来必定会拥有更广阔的应用前景。

微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境(如室内、城区和丛林等) 中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景;与此同时 ,它还是火星探测无人飞行器的

重要研究方向之一;另外,四旋翼飞行器与其他飞行器相比，具有结构紧凑，控制方便，飞行灵活等一系列优点，同时它涉及到的理论知识广泛，包括自动控制理论，动力学，导航控制等多方面的知识。所以无论是在科研和实际应用方面都具有十分重大的意义。 当前四轴飞行器（以下简称四轴）在全世界范围内得到广泛的研究，其中美国的斯坦福大学以及麻省理工大学等科研机构研究的智能四轴，可以实现全自主导航飞行。在优良的算法控制下，可以完成一系列高难度的动作，如360度翻转，多架四轴同时按照设定的路线飞行。在加入热敏传感器和高分辨率摄像头后，还可以利用图像处理等技术实现自主搜索空间范围内的路径。

在商业方面，已经有多家公司开始推出四轴飞行器的成品。其中有利用四轴进行一些航拍，来满足摄影爱好者或者其他机构的要求，或者利用四轴来作为游戏开发，实现物流等。

（二） 研究方法或过程

1 系统方案

系统主要由stm32控制模块、姿态采集模块、电源模块、电机驱动模块等四部分组成，采用X字型飞行模式，下面分别论证这几个模块的选择。

（1）控制系统选择方案

方案一：

主控板使用arduino。其内存大小好控制而且板子体积较大，重量较多，对四旋翼的载重量要求较高。但是它对电源的要求较高，而且I/O口较少，我们刚开始学习使用，不是很熟悉，对于四旋翼的需要不够。

方案二：

主控板使用stm32。Stm32板子的I/O口很多，自带定时器和多路PWM，可以实现的功能较多，符合实验要求。Stm32迷你板在体积和重量上也不是很大，对飞机的载重量要求不是很高。

综上所述，我们选择了方案二。

（2）飞行姿态控制方案论证

方案一：

十字飞行方式。四轴的四个电机以十字的方式排列，x轴和y轴成直角，调整俯仰角和翻滚角的时候分开调整，角度融合简单，适合初学者，能明确头尾，飞行时机体动作精准，飞控起来也容易。

方案二：

X行飞行方式。四轴的四个电机以X字的方式排列，灵活性和可调性较高，调整的时候应该相邻两个融合调节，融合复杂。X型飞行方式非常自由灵活，旋转方式多样，可以花样飞行，也可以做出很多高难度动作，但是控制上相对比较困难。

综合以上两种方案鉴于我们虽然是初次尝试，但是实验室有前辈曾经给我们留下个一定的经验基础，所以挑战自己选择了方案二。

（3）角度测量模块的方案论证

方案一：

光纤陀螺仪。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件， 由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变化，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，但是成本较高，鉴于我们这是初次尝试，需要多次实验，破坏较大。

方案二：

MPU6050三轴陀螺仪。MPU6050三轴陀螺仪就是可以在同一时间内测量三个不同方向的加速度、角速度、角度。单轴的话，就只可以测定一个方向的量，那么一个三轴陀螺就可以代替三个单轴陀螺。它现在已经成为激光陀螺的发展趋向，具有可靠性很好、结构简单不复杂、重量很轻和体积很小等等特点，但是其输出数据需要大量的浮点预算才能保证较高的精度，这样会影响主控板对最终的姿态控制的响应速率。

综合以上两种方案，我们选择了方案二

（4）使用摄像头定位模块方案论证

方案一：

使用单独摄像头进行定位

因为我们都参加过飞思卡尔杯智能车设计大赛，并且在比赛中是摄像头组，所以对摄像头OV7620有一定了解。单摄像头视觉定位可以描述为运动载体通过视觉设备观察场景，再通过图像分析、目标识别等技术，计算载体在世界坐标系下的全局位姿，或是载体相对场景中特定参照物的局部相对位姿。

上

图示意

了单个

摄像机

全局和

局部定

位情

形。全

局定位需要根据路标位置或是摄像机前一时刻状态，计算当前时刻的位姿，包括相机在世界坐标系下的三维坐标(Xw,Yw,Zw，图中r向量)，以及三个方向的朝向角(xR,yR,zR相对世界坐标系xw,yw,zw的夹角)。局部相对定位一般以参考路标某一点为原点，计算相机在路标局部坐标下的三维坐标(Xw,Yw,Zw)及朝向角。当然，若已知参考路标在世界坐标系下的全局位置，便可以通过局部定位计算相机的全局位姿。

方案二：

使用双摄像头进行定位

日常生活中，人们用双眼观察物体，物体在两个眼睛中各成一个像，远近不同或是方位不同的物体在眼睛中成像的位置不同，人们可以根据物体的成像位置推断出物体的远近方位，也就是可以确定物体的位置。

为了实现二维平面上物体的定位，我们可以依据人眼视觉定位的原理，在平面上安装两个摄像头，模拟人的两个眼睛。两个摄像头的光轴平行于安装平面且相交于空间中的某一点，如果使用的是线阵摄像头这样就形成了一个平行于安装平面的扫描平面，如果使用的是面阵摄像头取其中的一行或几行象素点也可以形成扫描平面。只要在两个摄像头的视场交汇区中，任何穿过扫描平面的物体都会在两个摄像头上成像，物体位置不同成像的位置也不同。我们就可以通过物体在两个摄像头上的成像位置得到物体在平面上的实际位置，这是常见的双目交互测量技术

如图中所示

在平面直角

坐标系中，

一个摄像头

（ov7620*1

）中心点1S

位于坐标系

的原点O，

主光轴1PS

与x轴正方

向所成的角度为0α，另一摄像头（ov7620*2）中心点2S位于x轴正半轴上，主光轴2PS与x轴负方向所成的角度为0β。两个摄像头中心点之间的距离120SSd=，两条主光轴1PS和2PS相交于平面上的P点。物体M进入扫描平面时，在两个摄像头上成像中心点的光敏元序号分别为1n和2n，像高分别为1h和2h。我们假设从摄像头背后向主光轴正方向看，CCD上最右侧的光敏元序号0，从右到左依次增大；成像在主光轴右边的像高为正，成像在主光轴左边的像高为负，以ov7620*1为例，物体M的像在主光轴左侧，因而像高1h为负。摄像头的镜头的焦距为f，7620横向光敏元总个数为N（也就是横向分辨率为N），光敏元间隔为0w。

从图中的几何关系可以得到图象中心点的光敏元序号到物理坐标(x,y)的变换

：

综合以上

两种方案，第一种虽然运算公式简单，但是精确度不好控制，而且每次一变换位置需要从新定位，第二种计算公式复杂，但是更为精确。经过讨论，我们选择第二种方案。

2 理论分析与计算

（1）Pid控制算法分析

由于四旋翼飞行器由四路电机带动两对反向螺旋桨来产生推力，所以如何保证电机在平稳悬浮或上升状态时转速的一致性及不同动作时各个电机转速的比例关系是飞行器按照期望姿态飞行的关键。所以这里我们采用到pid控制理论把飞机的当前姿态调整到期望姿态。

C(t)

Pid控制是通过姿态采集模块发送回来的数据与期望姿态进行比对，如果存在误差，就对误差进行比例、积分、微分的调整，再将调整后的值加到当前电机上，从而达到调整的目的。比例调节的反应速度较快，而且调节作用明显，飞机出现俯仰和翻滚时能快速调节回来，但是稳定性较差，往往会调节过火；积分调节可以消除长期误差，排除外界因素的干扰，但是同样会降低系统整体的稳定性，使飞机发生震荡；微分调节可以预测被控设备的将来状态，及时的进行调整，而且对比例调节有抑制作用，加强单比例调节的稳定性，排除调节过度的问题。所以通过pid控制可以完全考虑到整个系统的过去、现在、将来，以使系统达到稳定。

（2）飞行姿态控制单元

飞行器模拟图如下图，姿态控制是通过陀螺仪模块进行数据的采集，根据它采集回来的俯仰角（pitch），翻滚角（roll），四旋翼采用十字型连接，这样的话能明确分离俯仰姿态和翻滚姿态，进行分别控制。这时如果飞机处于俯仰状态就调机头和机尾的电机，那边高就减小那边电机的转速，相应的那边低则加大那边电机的转速。如果飞机处于翻滚状态，则调左右电机。

左右

3 电路与程序设计

（1）电路的设计

系统总体框图

在控制电路中电源模块是一个不可或缺的部分，电源部分很大程度上决定着电路的性能指标，在设计电路电源时，不仅需要满足电路中各个模块的电压要求和功率要求，还要确保输出得电压稳定。

在控制系统中，控制电路对电源有着如下要求：

(a) 桨翼电机的供电直接使用电源的电压，电机对电源的稳定性要求不高，但对功率要求很高。

(b) 传感器部分和微控制器使用 3.3V 电压，此电压对稳定性要求很高，但对功率要求不高，因此需要提供稳压器件。

(c) 对于接收机的电源，需要大于 4.2V，设计中还需要设计升压电路。

所以除了电机直接使用电源电压外，其他两种电压均需要提供相应的稳压和升压电路。

（2）升压电路设计

该电路输出的电压供接收机使用，采用低噪声的 DC-DC 转换器 LTC3200-5 电源芯片。具备如下特性： (a) 电荷泵点电路采用 1 节锂电池供电，输入电压范围为 2.7V~4.5V，可稳定输出5V(100 mA)的电压。 (b) 输出噪声小，在 1ouT =100 mA, Cort＝ 1 μF 时，噪声电压为 30 mVp-p。

(c) 工作频率为 2 MHz，具备关闭电源的控制功能，且在关闭状态时耗电小于 1μA。

(d) SOT23

封装，占据较小面积。

设计电路

原理及芯片封装如图 3.2 所示，原理图中： VCC 为锂电池电压(3.7V)， Vout输出 5V 稳定电源，在电源与地之间接入 1uF 的去耦电容。

（3） 主控模块

处理器选择

飞行控制模块是整个飞行器的核心，需要执行多种复杂的任务，包括：解析接收机的 PPM 信号、读取传感器的数据并融合、计算控制量等等，因此选择的微处理器将需要能够承受较大的工作量，选择时需

要考虑其工作频率、 RAM 和 Flash 大小、片上功能等等；下表列出了目前市场上功能强大的微处理器。

处理器时需要综合考虑到如下因素： 选择微

(a) 飞行控制板设计和开发的难易程度。 SamSung 公司的 2440 芯片使用的 ARM9 架 构，功能强大，但是控制板设计较为复杂。

(b) 工作频率和工作电压等芯片特性。 ST 公司的 STM32 系列相比于 Atmel 公司的

ATmega 系列在处理器字长和工作频率上有较大优势。 比较上述因素，考虑选用 ST 公司 STM32 系列处理器作为主控的核心，其在开发应 用和处理器功能上有着绝对的优势。

（4） 姿态传感器模块

四轴飞行器属于多旋翼飞行器，各个桨翼之间的旋转过程中总存在着相互干扰，这 就导致在飞行过程中，飞行的稳定性较差；另外在飞行器的电机、桨叶及机身等方面要 求也较高，它要求各个旋翼的电机特性一致、各个桨叶的桨距及安装角度相同、机身对 称等等。然而实际中这些条件很难满足，而且往往相差较大；因此飞行器稳定性差，且 难以控制，在设计控制系统时着重需要考虑飞行器的稳定性设计。 这样姿态测量在飞行器系统中就显得尤为必要，设计相应的传感器对飞行器的运动 姿态进行测量，有助于反馈当前姿态，确保飞行稳定。

设计中选用加速度和角速度两种传感器来进行姿态测量，用加速度的测量数据来互 补角速度传感器测量的不足；设计中采用 InvenSense 公司生产的整合性 6 轴运动处理组件 MPU-6050 MPU-6050 为全球首例整合性组件，相比较多组件方案，有如下特点：

(a) 免除了组合陀螺仪与加速计时存在的轴差问题，减少了大量的包装空间。

(b) MPU-6050 整合了 3 轴角速度和 2 轴加速度传感器，并含可用第二个 IIC 端口连 接其他厂牌的磁力传感器或其他传感器的数位运动处理(DMP)硬件加速引擎， 由 主 IIC 接口以单一数据流的形式向应用提供输出完整的 9 轴融合演算技术。

（1） 电机控制模块

电机按结构和工作原理可分为有刷电机和无刷电机。设计中选择简单的有刷电机，相比较无刷电机，不需要复杂的电子调速模块，直接微处理器的 IO 驱动 MOS 管就可以 驱动；同时专门的电调模块成

本较高，且占据较大体积，不适合小型飞行器的设计。 微控制器对电机进行控制时，由于电机功率较大，设计时采取 PWM 进行调速，即 控制电机电路的通断。电路中需要采用较大功率的 MOS 管来进行驱动；在一个周期中， 当处理器输出高电平至 MOS 管栅极时， MOS 管导通，电机工作；相反的，当栅极电压 变为低电平， MOS 管截止，电机两端电压0停止工作。这样重复的开关动作，调整 有效电平的时间即可达到控制电机转速的效果。

MOS 可分为 P 沟道和 N 沟道类型，其构造原理图如图

对于 P 沟道的 MOS 管，当栅极和源极间(GS 端)电压小于一定值的时候管子才会导 通(一般为-3V~-20V)，即需要提供负电压才能打开 MOS 管，然而微处理器 IO 端口电源 为 3.3V，若采用 P 沟道 MOS 管将使得驱动电路变得较为复杂；所以设计中采用 N 沟道MOS 管来驱动电机， 使用时当栅极和源极间(GS 端)电压大于一定值时将导通 MOS 管（一般为3v-20v）

设计中采用 N 沟通 MOS 管 IRLML2502[43]，其具备如下特性：

1）超低导通电阻；

2） 快速的开关切换功能；

3）较小的 SOT-23 封装，小于 1.1mm，占据较小体积；

4）漏极 与源极间(DS 端)可承受最大 20V 电压， 4.2A 的电流。综上所述该芯片适合本设计应用。

3.1 程序的设计

程序设计流程图

（三）研究结果与讨论

经过半年多的工作，对四轴飞行器系统做了初步的研究爱和设计工作。能够通过摄像头定位系统中的信息控制四轴飞行器的起飞，降落，移动等动作。

（四）结论与应用

四轴飞行器系统一方面包括对四轴本身的垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动等6种基本运动状态的研究。另一方面是建立一个以摄像头为传感器的定位系统，利用摄像头采集图像，然后将图像信息利用无线传输模块传输到PC上，PC对图像进行处理。这样，系统不仅可以实现对四轴的实时定位，还可以实现利用系统内某物体的运动来控制系统外某物体的运动。最后设计两种工作模式，一种工作模式是用遥控控制四轴运动，另一种工作模式是用定位系统中的物体控制摄像头运动。

（五）未来展望

由于四轴飞行器相对于别的旋翼式飞行器来说能够共享电池、控制电路板等，结构更紧凑，能够产生更大的升力，而且可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡，而不需要专门的反扭矩桨等，因此四轴飞行器具有结构紧凑，能源利用率高等优点，具有较大的研究价值。从目前国内外对飞行器的研究情况及科技发展动态来看，其发展的主要趋势有：

 飞行器的微型化，减小飞行器的体积和重量，较小能源消耗，提高其飞行时间和灵活度。  飞行器的智能化，提高飞行器的飞行稳定性及自适应能力，使其能够方便自如的自行更多更复

杂的任务。

 新能源的采用，使用太阳能或者其他类型的宇宙能量作为飞行器的攻击能源，减少飞行器重量，

增加载重，延长飞行时间。

 飞行器的方防生化。

 多任务，能够采用飞行器执行各种复杂操作和任务。

（六）参考文献