自动航行飞行器设计

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1、自动航行飞行器设计　　摘要本文根据目前市场上四轴飞行器以遥控为主，还没有实现智能化的现状，研究了四轴飞行器的控制要点，在无人机控制启发下，将自动定位导航技术应用到四轴飞行器中，采用多传感器融合技术解决了四轴飞行器定位不精确的问题，实现飞行器自动避障和小范围的预定轨线和变轨飞行功能。　　关键词四轴旋翼机；预轨飞行；多传感器融合；卡尔曼滤波　　中图分类号V2文献标识码A文章编号1674-6708（2014）118-0076-02　　0引言　　随着近年来比较受广大飞行器爱好者或军事机构青睐的多轴飞行器的发展[1]。它是一种由多个轴径架

2、搭载着一定数量的螺旋桨的共轴心飞行器。可以中心对称，也可以轴线对称，或者不对称，机架结构类型灵活。具有制作简单，飞行性能好，成本低的良好特点。最重要的是无人机控制可以以之为载机[2]，在它稳定性的基础上实现无人机的多功能[3]，微型化，智能控制[4]。是一种无人机控制系统研究从初级到高级通用的高性能载机。　　本文设计的不是一个普通的飞行器，当然也称不上是无人机，但具备无人机的一些功能，比如说自动巡航，航拍，地面搜救等功能。　　1系统设计6　　1.1四轴飞行器机体搭建　　鉴于我们的飞行器定位于智能控制和导航，以及多轴飞行器的种种优

3、点，和考虑到成本和技术，我们选择四轴飞行器作为设计机型。　　四轴飞行器也叫四旋翼飞行器它有四个螺旋桨，前后左右各一个，其中位于中心的主控板接收来自于遥控发射机的控制信号，在收到操作者的控制后通过数字的控制总线去控制四个电调，电调再把控制命令转化为电机的转速，以达到操作者的控制要求，前后马达是顺时针转动，需要安装反桨，左右马达是逆时针转动，需要安装正桨，机械结构上只需保持重量分布的均匀，四电机保持在一个水平线上，可以说结构非常简单，做四轴的目的也是为了用电子控制把机械结构变得尽可能的简单。　　1.2四轴旋翼飞行器机构原理　　本设计

4、的四轴飞行器的基本构架主要由电机，电调，主控板，接收机和电池通过机架搭建而成组成。电机带动螺旋桨旋转产生升力，电调将直流电转化为交流电给电机供电，同时通过信号调节电机转速，主控板控制四轴飞行器的稳定飞行，接收机接受来自遥控的控制信号，对飞行器的进行姿态的调整。电池给整个飞行器供电。　　2硬件设计实现　　硬件电路实现的控制方法是截断飞控板和接收机之间的信号，加入主控板、通讯模块和必要的传感器，主要通过模拟接收机上的遥控信号控制飞行姿态。6　　飞控板是四轴飞行器的核心部分，他就像是人的大脑一样，控制着飞行器的稳定飞行，并且按照人们的

5、意愿控制电机的转速完成规定动作。如果没有飞控板，四轴飞行器就会因为安装、外界干扰、零件之间的不一致型等原因形成飞行力量不平衡，后果就是左右、上下的胡乱翻滚，根本无法飞行。飞控板的作用就是通过飞控板上的陀螺仪，对四轴飞行状态进行快速调整，如发现右边力量大，向左倾斜，那么就减弱右边电流输出，电机变慢，升力变小，自然就不再向左倾斜。对于我们的作品，我们不光局限于飞行器的自稳，为了体现我们的创新性，和先进性，我们希望它能够实现类似于无人机的自动起飞降落，以及自动巡航等功能，所以我们需要在上面加一些GPS定位系统，超声波传感器，气压计以及

6、数据采集系统等。系统结构框图如图1所示。　　图1控制系统硬件结构框图　　自动航行飞行器共用到两片STM32芯片，一个放在地面遥控器中，另一在放在飞行器上。飞行器上的STM32单片机一方面作为飞行器的核心控制器，在飞行器自动航行中完成导航和控制算法，根据3方向陀螺仪的飞行误差信号对飞行器的姿态进行校正。另一方面STM32驱动NRF2401通讯模块，完成无线通讯，接受地面遥控器的控制信号，发送图片信息；遥控器中的STM32主要识别遥控器的各种操作功能，与遥控器中的NRF2401连接实现无线通讯，接收飞行器采集到的数据。　　3软件设计

7、和实现6　　本文设计的飞行器的主程序流程图如图2所示，为了防止航模在自动控制过程中失控造成坠机事故，当航模控制方式在手动控制和自动控制之间进行切换的时，在程序设计上要求航模切换到自动模式下，手动控制依然起作用。也就是说所谓的手自动切换不是相互独立的工作状态，而是在手动的基础上增加或切除自动功能。　　为了防止航模在飞行过程中超出遥控的控制范围，程序上对飞行器的飞行距离设置上限，一旦飞行高度超过200m或者飞行距离超过300m控制器就会报警。　　图2主程序流程图　　3.1四轴飞行器姿态控制PID参数整定　　四轴飞行器控制姿态控制回路

8、PID参数调整，PID控制器可以对陀螺仪测出的三轴上任意角偏差进行纠正。比例增益P可以调高控制器对偏差的灵敏度，P值越大，对偏差的纠正能力越强；I积分增益可以消除稳态飞行误差，增大I值有利于减小漂移、提高稳定性能，但是会延长飞行器调节时间；D微分增益可以加快飞行