基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计

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1、基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计　　摘要：针对微型四旋翼飞行器在小型无人机领域中独具的优点，提出并采用多种传感器、蓝牙无线通信、嵌入式微控制器等物联网技术，设计出一款基于物联网的微型四旋翼飞行器。详细阐述了其系统架构、硬件设计以及四元数算法、PID控制算法等。实践表明，基于物联网的微型四旋翼飞行器具有易于控制、飞行姿态稳定、转向灵活等优点。　　关键词：微型四旋翼飞行器；物联网；蓝牙；四元数；PID　　中图分类号：TN967.6?34；TP273文献标识码：A文章编号：1004?373X（2016）13?0108?04　　Abstract：Sincethemicroquad?roto

2、raircraft（QRA）hastheuniqueadvantageinthefieldofsmallunmannedaerialvehicle，amicroQRAbasedonInternetofThings（IOT）wasdesignedbyadoptingtheIOTtechniques（suchassensors，Bluetoothwirelesscommunication，embeddedmicrocontroller，etc）.Thesystemarchitecture，hardwaredesign，quaternionalgorithmandPIDcontrolalg

3、orithmofthemicroquad?rotoraircraftaredescribedindetail.ThepracticeresultsshowthattheORAbasedonIOThastheadvantagesofeasycontrol，stableflightattitudeandflexiblesteering.　　Keywords：microquad?rotoraircraft；InternetofThings；6Bluetooth；quaternion；PID　　0引言　　四旋翼飞行器易于实现垂直升降和自由悬停，其机动性远远优于固定翼机型无人飞行器。并且其质量

4、轻、体积小、便于携带，非常适合在复杂地形与狭小的空间内使用，尤其是人不适合或根本不能进入的恶劣环境[1?3]。同时在军事上还可在近地面执行侦察、侦测与监视等多种任务，目前正受到国内外科研机构的热切关注，成为小型无人机领域中的研究重点[3?5]。　　随着多种数字化、微型化、高精度的新型传感器的不断产生，四旋翼飞行器的性能不断得到发展，正在朝着智能化、微型化、多功能化等方向发展，因此微型四旋翼飞行器是其发展的方向之一[6]。作为当前最具发展潜力的技术――物联网技术，与微型四旋翼飞行器有机结合构成全新的基于物联网的微型四旋翼飞行器，则是四旋翼飞行器未来发展的方向与潮流。　　1工作原理6　　

5、微型四旋翼飞行器有四个交叉，且在同一高度的旋翼以相对的两个旋翼为一组进行配置。这两组旋翼以相反的方向旋转，通过改变电机的输出功率来改变转子的转速，以达到改变升力并产生运动的目的。同步减少或增加四个旋翼的转速就能产生垂直运动，即垂直下降或垂直上升。以相反的方向改变一组旋翼的转速，就能使俯仰角改变并同时产生相应的横向运动；以相反的方向改变另一组旋翼的转速能使滚动角改变并同时产生侧向运动；每组旋翼的反向力矩差产生偏航角转动。通过改变上述三个角的角度，就可以控制微型四旋翼飞行器朝着期望的方向飞行[1，6?7]。　　2系统架构　　基于物联网的微型四旋翼飞行器由微型四旋翼飞行器与智能飞行控制系统

6、（一款安装在智能手机上的管理软件）构成，二者之间通过蓝牙（BlueTooth）进行数据通信，如图1所示。智能飞行控制系统把智能手机既作遥控器，也作接收器。用户通过操作智能飞行控制系统来管理、控制微型四旋翼飞行器的飞行：垂直上升、垂直下降、向左移动、向右移动、向前移动、向后移动、空中悬停、空中滚转、紧急停机等，并且微型四旋翼飞行器的飞行姿态及相关数据同时也会实时显示在智能飞行控制系统上。微型四旋翼飞行器通过蓝牙无线方式接收智能飞行控制系统发来的控制指令控制四个直流电机，以实现用户所需的飞行姿态。　　微型四旋翼飞行器由系统主控制器、3轴陀螺仪、3轴加速度计、3轴磁力计传感器、蓝牙无线通信

7、模块、USB接口稳压电源、空心杯电机、状态显示LED灯等组成，其系统功能如图2所示。　　3硬件设计　　3.1系统主控制器　　系统主控制器采用STM32F103，该芯片采用高性能的ARM@CortexTM_M332?bit的RISC内核，其频率为72MHz，内置高速存储器、增强型I/O口和丰富的外设。其中，包含3个通用16b定时器、2个12bADC和1个PWM定时器，还包含标准、先进的通信接口：1个SPI接口、2个I2C接口、3个USART接口、1个CAN接