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四旋翼无人机的组成及各部分功能

摘 要:文章主要研究四旋翼无人机的组成及其各部分的功能。四旋翼无人机具有造价低廉,小巧灵活的特点。整个四旋翼无人机由遥控器,四旋翼飞行器两部分组成。飞行控制芯片以STM32芯片为核心,控制算法采用PID算法,从而实现四旋翼无人机的安全稳定飞行。

关键词:四旋翼无人机;STM32;PID算法

中图分类号:V279 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2018)21-0085-02

Abstract: This paper mainly studies the composition and the functions of each part of the four-rotor unmanned aerial vehicle (UAV). The four-rotor unmanned aerial vehicle has the characteristics of low cost, small and flexible. The whole four-rotor UAV is composed of a remote control and a four-rotor aircraft. The core of the flight control chip is STM32 chip and the control algorithm is PID algorithm, which realizes the safe and stable flight of the four-rotor unmanned aerial vehicle.

Keywords: four-rotor unmanned aerial vehicle (UAV); STM32; PID algorithm

四旋翼无人机的组成及各部分功能

1 绪论

1.1 研究背景及意义

四旋翼无人机越来越多的进入人们的生活当中,比起传统的直升机,四旋翼无人机具备造价低廉,小巧灵活的优点。四旋翼能够节约资源,且便于携带,能进入更多的狭小空间采集所需数据。所以四旋翼常用来进行航拍,监控,地形勘测等。因而,四旋翼无人机的研究是现今发展的趋势之一。

1.2 本文主要研究内容

对于四旋翼无人机的组成及各部分的功能,本文介绍的主要内容如下:

第一章为绪论,主要介绍四旋翼无人机的研究背景及意义。

第二章主要介绍四旋翼无人机飞行器的硬件,硬件包括遥控器与四旋翼飞行器两大部分。

第三章为STM32芯片介绍及PID算法的简介。

第四章为总括与展望。总结本文的基本内容及不足之处并展望未来四旋翼无人机的研究重点与方向。

2 四旋翼无人机飞行器的硬件

2.1 四旋翼无人机遥控器

目前市场上对于四旋翼来说,控制方式主要有两种:传统的航模遥控器、蓝牙/WIFI等遥控器。相比较于蓝牙/WIFI而言,传统的用于航模遥控器操作手感更好,有效范围更远。但是随着智能硬件的盛行,现在也有很多使用蓝牙/WIFI等通信作为遥控器。本文主要介绍传统的航模遥控器。

传统的航模遥控器都使用2.4G遥控器,其中著名的品牌包括天地飞、JR、Futaba等。以上这些遥控器的优点是控制距离远、可靠性高、操作简单、姿态调节稳定。

因为四旋翼共有八种比较基本的运动状态(上升、下降、左旋、右旋、左飞、右飞、前飞、后飞),因此至少需要一个四通道的遥控器来控制四旋翼的姿态。

四旋翼无人机还包括机架、动力系统及控制系统

2.2 四旋翼飞行器介绍

四旋翼无人机还包括机架、动力系统及控制系统。机架由机身、机臂、起落架构成。机身是用来承载四旋翼所有设备的平台,从一定程度上来讲,四旋翼的安全性、稳定性都与机身密不可分。因此在选用四旋翼机身时要综合考虑机身的尺寸、材料、形状、重量、强度等因素。机臂决定了四旋翼的轴距,轴距是用来衡量四旋翼尺寸的重要参数,通常被定义为电机轴围成的外接圆周的直径。通常情况下,轴距即为对角线上的两电机轴心的距离。轴距的大小限定了螺旋桨的尺寸上限,从而限定了螺旋桨能产生的最大拉力,进而决定了四旋翼的载重能力[1]。起落架功能包括支撑四旋翼的起飞与降落、保持机身的水平平衡、保证四旋翼与地面有足够的距离避免螺旋桨与地面发生碰撞、减小起飞和降落时螺旋桨气流冲击地面产生的气流干扰。

动力系统是四旋翼最主要的组成部分,动力系统的好坏决定了四旋翼主要性能的优劣,如承重能力、飞行速度、飞行距离、悬停时间及飞行稳定性。动力系统的选择要相互兼容,否则会使四旋翼无法正常工作。螺旋桨是直接产生力和力矩的器件,合理匹配螺旋桨可以使電机工作更加高效稳定。选择合适的螺旋桨是提高四旋翼无人机性能的一种最直接的方法。一般来说,螺旋桨型号由4位数字组成,如“1045”,前两位代表螺旋桨的直径,后两位代表螺距。螺距定义为扭转一圈螺旋桨进步的间隔。四旋翼大多选用无刷电机,无刷电机在扭力,转速方面都有比较良好的特性。无刷电机具体大小反映在型号命名上,例如2212电机,其含义为直径为22mm,转子高度为12mm。一般来说越大的电机其转速和扭力越大。无刷电机KV值定义为“转速/V”,意思是当输入电压每增加1V时,无刷电机空转转速增加的转速值大小[2]。其中,KV值越大,转速越大,但扭力越小。KV值小则相反。电调的基本功能是接受PWM信号来控制电机的转速,电调通过对信号进行处理和放大来驱动电机。无刷电调同时还可以把直流电源转化为三项电源来给无刷电机使用。最大持续电流和峰值电流是无刷电机最重要的参数,常用的有10A、20A、30A。不同的电机需要装配不同的电调。电池是四旋翼的动力来源。电池的基本参数包括电压、容量、内阻和放电倍率。航模专用电池为锂聚合物电池(LiPo电池),单节电池的标准电压是3.7V,充满电可达4.2V。如选用型号为2200mAh 3S 11.1V 25C的电池,其含义为:电池电流为2200mA·h,电压为11.1V,3S表示三个锂电池串联在一起,25C是放电倍率,2200mA·h 25C,放电就是2.2A×25=55A。

3 STM32芯片及PID算法简介

飞控板是四旋翼无人机的核心设备,目前,主要的飞行控制板有零度飞控板、玉兔飞控板、MWC飞控板、APM飞控板、NAZA(哪吒)飞控板等。世界著名半导体公司意大利方法半导体公司研制的STM 32系列单片机是高性能单片机的杰出代表[3]。本设计中采用STM32中的STM32F767作为主控芯片。STM32F767由底板和核心板两部分组成。四旋翼选择F767作为主控芯片主要是因为其接口与资源丰富,板子提供数十种标准接口,可以方便的进行各种外设的实验和开发并且板载高性能音频编解码芯片、九轴传感器、百兆网卡、光环境传感器以及各种接口芯片,满足各种应用需求。

四旋翼在飞行过程中需要及时调整各个电机的转速来使四旋翼的实际姿态逼近理想姿态。PID控制器便是实现这个目的的控制器。其一般控制规律为:

四旋翼的偏航角、俯仰角、滚转角理论上相互独立,所以对四旋翼的姿态控制可分为三个相互独立的控制。以其中一个角为例,其它角相同,在“X”飞行模式下的PID控制过程如图1所示。

4 结束语

通过对四旋翼的组成及各部分功能的学习,了解了四旋翼的基本组成,但本文研究不够深入,只是给初学者与电子爱好者的一些参考,是为以后的深入学习打下基础。目前对四旋翼的钻研主要集中在3个方面:基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行器系统方案。

参考文献:

[1]全权.多旋翼飞行器设计与控制[M].北京:电子工业出版社,2018:30-31.

[2]黄和悦.DIY四轴飞行器[M].北京:电子工业出版社,2015:18.

[3]冯新宇,范红刚,辛亮.四旋翼无人飞行器设计[M].北京:清华大学出版社,2017:32-34.

[4]王身丽,黄力,候金华,等.基于多旋翼无人机的复合绝缘子检测平台研究[J].科技创新与应用,2018(06):10-11+14.

[5]丁承君,何乃晨.基于FMRLC的四旋翼无人机姿态控制研究[J].科技创新与应用,2017(10):65.

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