基于mwc的四旋翼飞行器组装调试及飞行控制研究

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1、基于MWC的四旋翼飞行器组装调试及飞行控制研究　　摘要：多旋翼飞行器是目前无人机研究领域的一个热点。本文将从四旋翼飞行器为研究对象分别从飞行器的组装调试和它的飞行控制方面进行研究，本文也会从从飞行器的组装起易发生的问题予以解答。　　关键词：四旋翼飞行器MWCArduino参数PID调试　　1引言　　本文所讲四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，依靠四个旋翼产生的升力进行姿态与位置控制，因此四旋翼飞行器能够实现垂直起飞与降落，相比于固定翼飞行器能够适应狭小的起降环境。四旋翼飞行器能够实现空中定点、定高，高速亦或低速稳定飞行，并且飞行器的结构紧凑，机动性能高。应用前景非常广阔。　　2框架及硬件

2、组成　　四旋翼飞行器的框架模式分为X模式和十字模式【1】：十字模式的前进方向与四轴中的一个电机一致，也就是飞控板上的箭头指向其中一个电机；而在6X模式下，飞控板上箭头指向的是前端两个电机的中间位置。相比较于X模式，十字模式能够清楚的区分机头与机尾，在飞行中十字模式的修正力较小比较容易控制。X模式，依靠3轴姿态控制，4个电机都需要进行调整，所以在飞行过程中修正力较大，但是相比于十字模式，X模式更加灵活速度更快，也非常适合特技飞行。本文所讲飞行器将采用X模式。本文所述飞行器采用F450机架，新西达XXD20A电调，新西达A2212/1000KV电机，1045浆，MWCMultiWiiSE

3、v2.5飞控板。　　2.1MWCMultiWiiSEv2.5飞控板　　MWC飞控板通常分为两个版本一个是Atmega328P版本另一个是Atmega2560版。本文将讲解Atmega328P版本。这是一款基于Arduino平台，实际上就是一块ArduinoProMini板加上MPU6050数字三轴陀螺与三轴加速度传感器（自稳用），BMP085数字气压传感器（锁定高度用），HMC5883L三轴数字磁阻传感器（电子罗盘，锁定航向用）。　　2.2电机与螺旋桨的搭配　　本此研究采用的是直流无刷电机。直流无刷电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。直流无刷电机（BLCD）既具

4、备直流电动机运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好的优势，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点，已广泛应用于办公自动化设备、仪器仪表、计算机外围设备、医疗器械、家用电器和航空航海等领域。　　在四旋翼飞行器的电机驱动系统中，控制器完成的主要工作是实现电机的转速控制。当电机开环启动后，进入闭环工作状态，通常由控制器通过PWM控制MOSFET的导通和关断，进而达到调节电机的转速的目的，四旋翼飞行器在完成不同姿态时的电机转速表如下：6　　实际上对于四旋翼飞行器，电机与螺旋桨的搭配是个非常复杂的问题，它牵扯到其自身产生的升力与飞行器自身的重量与姿态的平衡。当螺旋桨的尺寸越大，那么

5、其产生的升力就越大，但是需要更强的驱动力。当螺旋桨的尺寸越小，其产生的升力就越小，那么其需要更高的转速以弥补其升力的不足。而用怎样的电机与螺旋桨搭配关系【2】，如下图所示：　　2.3四旋翼飞行器动力模型【3】　　四旋翼飞行器悬停状态动力学建模由于飞行器在飞行过程中的姿态角以及航速均是在地面坐标系下讨论的，而机体的受力分析多是在与机体固联的机身坐标系下讨论的，因此需要建立起两套参考坐标系之间的联系，这两套坐标系如图1所示，图中坐标系RE为地面坐标系。RB为与机体固结的机体坐标系，机体坐标系各坐标轴的定义为：OBZB为垂直于机身轴线的坐标轴，约定竖直向上为正；OBXB为与飞行器航向平行的

6、坐标轴，约定与飞行方向相同为正；坐标轴OBYB由OBXB和OBZB按照右手法则确定。初始状态时，机体坐标系原点OE与地面坐标系原点OB重合，机体坐标系三轴与地面坐标系三轴重合。机体在地面坐标系下的航向角、俯仰角、横滚角三个姿态角分别记作、θ、φ，由机体坐标系到地面坐标系的变换矩阵可以写为：　　式中，Sθ表示角度θ的正弦值，Cθ表示角度θ的余弦值。根据牛顿第二定律及飞行器动力学方程和力矩平衡方程再结合相关文献，直接引用四旋翼飞行器X模式的总的动力方程式其中其中，（FX，FY，FZ）是旋翼产生的力在机体坐标系下三个轴向上的分量，（x，y，z）为惯性坐标系下飞行器的位置。用表示飞行器的线运

7、动方程，三个等式表示姿态角角速率与集体坐标轴三个角速率分量（p，q，r）之间的关系。三个等式表示飞行器的角运动方程【4】。　　3Arduino固件烧写调试6　　四旋翼飞行器所有固件组装完成后，就到了极为重要的Arduino固件烧写调试环节。　　我们将固件上传前，需要先进行对源代码编辑烧写，此时Arduino作为一个编辑器使用。　　3.1选择固件模式　　由于本次研究的X姿态模式飞行器，我们需要启用此语句：　　对于Motorminthrottle（马达油门最小