关键词：四轴飞行器；串级PID算法；四元数；MPU605；上位机；STM32F103T8U6；SX1278芯片；STC12C2052AD

1  引言1

在20世纪初，由于当时科技的落后，人们致力于发展两翼飞机，所以四轴飞行器的研究没有得到重视。进入21世纪以来,科技发展迅速，四轴飞行器的研究得以不断开展。其功能不断增多、稳定性及续航时间不断增强，但是其稳定性还不够理想。

本文主要针对四轴飞行器稳定性不高的缺点，加入数字信号传输系统，使之能与上位机进行远距离的双向通讯，然后将遥控控制信号传输至飞行器，并将飞行器当前的姿态角、高度等信息返回给上位机，在上位机和四轴飞行器之间建立双向的数据链，四轴飞行将遥控信号和飞行器姿态、位置信息反馈给上位机，上位机再经过稳定性测试后，将上述信息再负反馈给四轴飞行器。双向通信通过SX1278通信模块实现，其是一款高速度、远距离的数传芯片。在通信速度为1Kbps的条件下，可以使其有效距离达到3000米以上，从而达到远距离运行^[1]。

1   此项目受国家级创新创业训练计划创新训练项目资助（项目号：201412216010）。

2  结构以及原理

2.1  结构形式

四轴飞行器包括四个机翼，四个电机的尺寸相同，每个电机控制一个旋翼，飞行控制计算机控制四个电机，四个电机之间通过支架连接起来，其具体结构形式如图1所示。

图1  四轴飞行器结构图

2.2  工作原理

四轴飞行器通过四个电机的支架构成主要躯干，由躯干的不同运动而形成立体的六个自由度，通过对电机进行不同的加减速而产生对应的离心力。根据离心力的方向来实现对非线性的自由度的控制，从而平衡反转矩，其基本运行状态分别是以下几种，四轴飞行器原理如图2所示。

（1）垂直运行：如图2（a）所示，四个电机中1、3转向相同，2、4转向相同，当四个电机保持恒速进行加速，则将会产生垂直上升运行，同理，保持恒速并且减速，则实现垂直下降运行。

（2）变桨运行：如图2（b）所示，当飞行器1和3转向相反，产生力的扭矩使得朝y轴转动，最终实现飞行器的俯仰运行。

（3）翻转运行：如图2（c）所示，和图2（b）的原理相同，保持3和1的转速不变，改变2，4的转速大小，使机身绕x轴旋转，实现飞行器的翻转运行。

（4）偏航运行：如图2（d）所示，由于可使四个机翼中的1，3两个电机向上逆时针加速转动，2，4两个电机向下顺时针加速转动。当四个电机转速相同时，四个机翼产生的反扭矩此时为0，从而四轴飞行器停止转动。当1，3加速，2，4减速时，则产生顺时方向移动的偏航运动，同理1，3减速，2，4加速时，会产生逆时方向的偏航运动。

（5）前后运行：如图2（e）所示，当四轴的反转矩产生一定的倾斜角度时，当角度较大时，则向前运动，同理，角度较小时，则向后运动。

（6）横向操作：如图2（f）所示，由于结构对称，横向运行的工作原理与前后运行一致[2]。

3  硬件设计

系统主要硬件原理如图3所示。

图3  系统硬件原理图

3.1  核心系统模块

本文中所用的单片机最小系统以STM32F103T8U6为核心，经过复位电路，外部时钟电路，启动方式抉择电路，电源退偶电容电路（减小电流波动产生的影响）等构成。

3.2  空心杯电机模块

本文STM32四轴飞行器采纳的是有刷空心杯电机，转速为30000转/分，直径为7毫米，长度为20毫米，电机直径为1毫米。

3.3  STC12C2052D遥控芯片模块

STC12C2052D系列工作电压为3.6V-2.2V，本文中将其作为遥控器的主控，满足SX1278通信芯片的需求，它不仅比8051的功能更强大，而且物美价廉。

3.4  SX1278无线通信模块

本文中使用的无线通信芯片SX1278是一款高速度、远距离的数传芯片，比NRF24L01性能更好。在通信速度为1Kbps的条件下，其有效距离为3000米以上遥控距离，从而达到远距离运行。由STC12C2052AD等组成基本遥控设备，将遥控控制信号传输至飞行器，并将飞行器当前的姿态角、高度等信息返回给上位机，实现飞行器和上位机之间的远距离双向通信，其上位机在初始状态下，四轴的初始状态具体如图4所示。

图4  四轴初始状态图

3.5  MPU6050传感器模块

MPU6050主要由三轴陀螺仪，三轴加速度传感器以及电子罗盘(HMC5883)组成，它将陀螺仪和加速计整合在一个片上，通过IIC总线给出六个维度的ADC值,将陀螺仪和加速计其整合在片上，经过一系列变化，从而精确测得空间范围的值。

在此基础上，我们测试了如何使用软件解算四元数，通过四元数解算姿态角，将遥控控制信号传输至飞行器，并将飞行器当前的姿态角等信息返回给上位机^[3]。

4  串级PID算法设计

对于其串级PID算法步骤，具体实现如图5所示。

图5  串级PID算法流程图

在通过上位机中的数据调节串级PID时，首先设定期望角度，将期望角度输出到角度环PID控制器中，再通过角度环PID输出到角速度环PID控制器中，然后用四个PWM波输出到对应的四个电机上，IMU（惯性测量监控）随时用来重新测量四轴的稳定值[5]。一方面IMU通过负反馈到角速度环PID控制器中，另一方面IMU以3D姿态负反馈到期望角度中，循环之前的步骤，直到调节到相对稳定的平衡值。对于如何整定串级PID值，本文主要从调节串级PID中的内外环P、I、D值，从而使四轴稳定性逐步提高。

5  软件设计

5.1  软件设计主体流程介绍

软件设计的主程序的主体流程如图6所示。

图6 软件主体流程图

本文中软件主体部分主要通过初始化，通过STC的遥控进行双向传输，判断是否有通信，若有通信，则传递通信数据，若没有，则读取传感器数据，采用串级PID算法，调节内外环P、I、D值对数据进行分析，再通过PWM波（占空比）将数据输出到示波器，在示波器上形成稳定的方波，方波如图7所示[6]。

图7  方波图

5.2  双向通信主控和遥控子程序流程介绍

通过STC12C2052AD发出的遥控命令到SX1278通信芯片（SX1278芯片存在于四轴飞行器主控制板和遥控器控制板），通过通信芯片SX1278进行四轴飞行器主控与飞行遥控部分双向通信，即双向通信的主控子程序和遥控子程序如图8和图9所示。

图8  遥控通信部分的子程序图

有关遥控通信部分的子程序主要是从系统初始化开始，然后依据STC12C2052AD遥控芯片模发出命令，若确认发出，则进行下一步，否则返回上一步，然后对IMU（惯性测量单元）进行校准，检查获取的数据是否与系统自身的数据是否类似，若类似、则进行下一步，否则返回上一步。然后控制指令解析，将数据传输到主控，最后结束遥控通信程序部分。

图9  主控通信部分的子程序图

有关主控通信部分的子程序主要是从系统初始化开始，然后根据SX1278通信模块是否获取到遥控模块的数据，否则返回上一步，然后对IMU（惯性测量单元）进行校准，检查获取的数据是否与系统自身的数据是否类似，若类似、则进行下一步，否则返回上一步。然后经过上位机对数据进行接收，以及通过调节内外环P、I、D的值，使其稳定性逐步提高，最后结束主控通信程序部分^[7]。

6  实验

（1）在进行固定调试实验的时候，可以将飞行器用绳子栓住，然后调试最基本的平衡和稳定。这样一般可以获得-一个大概的PID值。当这步调试基本稳定，才会进行后面更加精细深入的调试。在进行平衡性测试时，由于中间风扇摔断数次，基于这个问题，我们在机翼外部添加了保护罩，防止有刷电机摔坏。对于其实践操作，调试后如图10所示。

图10  调试四轴平衡性图

（2）在飞行实验中，在室内通过遥控器对四轴的飞行进行初步定点的控制，对其悬停时候稳定性的测试，以及负荷一些相对较轻的物品，探测器或者航拍器等等。图11为实验室进行空载实验飞行情景，设置飞行高度在5-8米之间，转速在30000r/m左右，飞行遥控方式采用美国手的方式。通过进行遥控器其左手油门，右手操纵杆，具体飞行控制分为一下几点，具体如附表所示。

7  结论

本文以STM32F103T8U6为四轴主控芯片，采用SX1278为通信芯片，由STC12C2052AD组成基本遥控设备,通过调节串级PID算法中的内外环P、I、D值，使四轴稳定性大幅度提高，从而顺利地完成负载探测器以及航拍的任务等等。然而在实际操作中，理论与实践还存在一定差距，四轴会受到外部环境的一些干扰。因此还需要对软件部分进行优化，硬件部分进行升级，最终慢慢地达到理想效果。

参考文献：

[1]王锋，吴江，周国庆,等. 多旋翼飞行器发展概况研究[J]. 科技视界,2015,13期.

[2]杨洪亚，裴文卉. 基于STM32四旋翼飞行器设计与算法[J]. 科技视界,2018,17期.

[3]金薇.基于STM32的四轴飞行器的研究与设计[J]. 山西电子技术,2016.

[4]郭萧，祝玲，郭青，等. 四旋翼飞行器设计方案[J]. 电子世界，2015.

[5]李文鹏，唐海洋. 基于STM32的四旋翼飞行器姿态解算的研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2016,16期.

[6]张丽娟，孙戈.四旋翼飞行器的姿态角估计与控制[D]. 西安：西安科技大学,2016.

[7]胡琦逸，王建中，邹洪波. 四旋翼飞行器的姿态估计与优化控制研究[D]. 杭州：杭州电子科技大学，2013.

作者简介：

程王峰（1996.8-），男，学生，安徽新华学院电子通信工程学院，专业：电气工程及其自动化，通讯地址：安徽省合肥市蜀山区望江西路555号，邮编：230088，手 机：17356510827，1249880948@qq.com

     陈茂繁（1997.5-）男，学生，安徽新华学院电子通信工程学院，专业：电气工程及其自动化。

杨钊（1986.3-）女，硕士，安徽新华学院电子通信工程学院，讲师，研究方向：新型传感器。

    陶冶（1994.11-）男，学生，安徽新华学院电子通信工程学院，专业：自动化。

    朱弘弘（1998.6-）女，学生，安徽新华学院电子通信工程学院，专业：通信工程

    王晓慧（1997.10-）女，学生，安徽新华学院财会与金融学院，专业：经济与金融

郑权权（1995.4-）男，学生，安徽新华学院电子通信工程学院，专业：电气工程及其自动化

张军政（1997.5-）男，学生，安徽新华学院电子通信工程学院，专业：电子信息工程

项目基金：

此项目受国家级创新创业训练计划创新训练项目资助（项目号：201412216010）。