蜂 鸟

1作品介绍

1.1作品方案

蜂鸟四旋翼飞行机器人系统主要由ARM嵌入式主控制器、多轴姿态传感器、电子罗盘、2.4G无线数传模块、5.8G高清无线图传模组、环境监测传感器和电机驱动模组等部分组成。

ARM嵌入式主控制器通过采用思维四元数姿态解算算法，并利用PID控制算法维持自身平衡；多轴姿态传感器用于测量飞行器的飞行姿态信息，使控制系统根据平衡算法处理结果输出PWM信号控制MOS管驱动电路从而控制电机转动，以实现自动调节旋转力矩来稳定飞行姿态。

2.4G无线数传模块负责体感遥控器与飞行机器人之间的数据传输，可以通过体感遥控器的屏幕对飞行姿态、电池电量等数据进行实时观测；5.8G高清无线图传模组提供高清图像的高动态无线视频信号传输。图1所示是蜂鸟四旋翼飞行机器的整体设计框图。

图1蜂鸟四旋翼飞行机器的整体设计框图

1.2飞行控制器设计

飞行控制器采用意法半导体公司生产的STM32芯片，并通过IIC接口与姿态传感器通信，主要负责采集姿态传感器传回的飞行姿态信息。如三轴陀螺仪采集的角速度（俯仰角速度、横滚角速度和偏航角速度）、三轴加速度计采集的线加速度和地磁场传感器采集的航向信息并进行实时解算。根据检测到的飞行姿态信息，结合PID平衡控制算法，计算输出控制量（PWM）控制电机转速。图2所示是系统中主控芯片的原理图。

1.3姿态采集传感器

飞行器在某时刻的状态由九个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量（即称为六自由度），同时还包括当前时刻的3个空间方位量。其共同组成九个轴向的姿态传感器，其按功能与用途区分为：三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁场传感器。主要负责采集飞行器3个方向的角速度（俯仰角速度、横滚角速度、偏航角速度）、线重力加速度与地磁场航向偏量。

陀螺仪起到测量飞行器某个轴上的角速度的作用，而加速度传感器起到感应飞行器3个轴向的线加速度的作用，这在平衡系统中非常重要。

本系统选用InvenSense公司生产的结合陀螺仪与加速度计的六轴姿态传感器MPU-6050,可与HMC5883L三轴式数字罗盘连接，并由主I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算数据。图3所示是MPU-6050传感器原理图。图4所示是电子罗盘的电路原理图。

1.4图像采集与传输

本作品使用5.8G微型无线图像传输模块，模块加上摄像头重量仅为3.3g,采用3.3V供电。使用3.7V370mAh锂电池可持续工作18〜20min。图5所示是其微型无线图传模块。

图5微型无线图传模块

1.5无线数据传输

本系统为保证数据的高速有效的传输，飞行机器人板载了nRF24L01无线数据传输芯片和NFX2401C功率放大芯片。nRF24L01芯片是由NORDIC公司生产的工作在2.4GHz〜2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。其输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置,几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。图6所示是基于nRF24L01的无线数传模块电路。

该芯片具有极低的电流消耗，发射模式下功率为0dBm

时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。本系统中，我们还使用了NFX2401C前端功率放大芯片对2.4G无线信号进行前端放大，使其具有更远的传输距离。NFX2401C的前端放大电路如图7所示。

1.6体感遥控器设计方案

体感遥控器使用STM32F103系列的C8T6处理器作为主控芯片，图8所示是体感遥控器的实物图。该系统可搭载MPU6050传感器和2.4G无线数传模块，可以采集手势的姿态数据，对其进行姿态解算处理之后，通过2.4G无线数传模块将数据传给飞行机器人，使得飞行机器人可以根据体感遥控器进行相应的动作。同时，体感遥控器上还有OLED显示屏，可以显示体感遥控器的姿态数据、飞行器的姿态数据以及飞行器电池电量等信息。图9所示是系统的显示界面图。

2技术原理

2.1飞行器飞行原理

飞行机器人的垂直运动是通过四个旋翼同时变速得到的,当四个旋翼的升力之和等于飞行器自重时，便能够飞行悬停。水平面内的运动是通过一组对角线旋翼同时变速时，另外一组对角线旋翼反向同时变速，机身就能够做到水平面内各个方向上的倾斜，从而达到在水平面内运动的目的。

通过组合以上的基本运动，可以实现四旋翼飞行器的各种复杂运动。四旋翼飞行器的结构俯见图如图10所示。

图10四旋翼飞行器结构俯视图

2.2空气动力学原理分析

该飞行器通过四个旋翼产生的力和力矩来实现飞行器的飞行及姿态控制的。F前、F右、F后、F左代表前右后左四个旋翼产生的升力，M前、M右、M左、M后代表前右左后四个旋翼产生的力矩。控制飞行器四个旋翼所产生的升力和力矩时，飞行器将产生各种飞行姿态，实现飞行任务。

通过采集加速度传感器的电压值，我们根据公式可以推导出角度数据，根据升力、扭矩和角度的关系，可以大致了解飞行器的飞行姿态。图11所示是该飞行器的抽象模型图。

图11飞行器抽象模型

飞行器与X轴的夹角a主要通过左右旋翼产生的升力控制，控制关系为：'^M=Iya，（F右-F左）=Iya，a=Ix（F右-F左）/Iy，具体模型如图12所示。

图12飞行器绕Z轴的角度『与升力之间的关系

飞行器与Y轴的夹角8主要通过旋翼产生的升力控制,控制关系为：Iy（F前-F后）=Ixfi，fi=Iy（F前-F后）么,具体模型如图13所示。

图13飞行器绕Z轴的角度8与升力之间的关系

M左+M右一M后前=顼，广（M左+M右—M后一M前）/I，具体模型如图14所示。

图14具体参考模型

2.3飞行器平衡控制原理

根据MCU采集姿态传感器的数据后进行PID及模糊控制运算，具体运算过程如下：

设输入变量为：a（俯仰角），8（滚动角），&a、&8、Ax.Ay、Az（角度偏差），GXG-Y、G-Z（角速度值）；

设输出变量为：ACH[1]、ACH[2]、ACH[3]、ACH[4]（电机控制增量），相关系数：孩、Ky、K,、Kp、K,为控制系数。

根据角度不同，输出的电机速度也不同。我们分段分析:

右旋翼电机控制量：

If[-5,5]thenCH[1]=KxX+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[1]=KrX+KzZ+Kr

If[-15,-10][10,15]thenCH[1]=KzZ+Kr

前旋翼电机控制量：

If[-5,5]thenCH[2]=KyY+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[2]=Kp-KzZ+KyY

If[-15,-10][10,15]thenCH[2]=Kp-KzZ

后旋翼电机控制量：

If[-5,5]thenCH[3]=KyY+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[3]=-Kp+KzZ+KyY

If[-15,-10][10,15]thenCH[3]=-KzZ+Kp

左旋翼电机控制量：

If[-5,5]thenCH[4]=-KxX+KzZ

If[-10,-5][5,10]thenCH[4]=-KxX+KzZ-Kr

If[-15,-10][10,15]thenCH[4]=KzZ-Kr

通过得到的角度，经过一系列的算法后我们得到电机转速。电机的转速主要由主控制器产生PWM调制，从而实现飞行器的平衡控制。

3作品创新点和应用前景

3.1创新点

本系统主要有以下几大创新点：

第一，蜂鸟一四旋翼飞行机器人作为迷你型飞行机器人,尺寸为9cm*9cm,重量为36g:

第二，工作在遥控模式下可采用手持式姿态感应遥控器对蜂鸟进行遥控，具有极佳的娱乐性和观赏性；

第三，自主飞行模式下可搭载摄像头进入复杂环境进行航拍，将现场图像实时传送到上位机进行监控；

第四，可根据不同场合的需求搭载不同传感器进行各项数据检测，具有较高扩展性与适应性;

第五，可作为飞行控制验证平台进行新算法的验证和测试，同时还可以作为其他四旋翼飞行器的飞行控制板。

3.2新颖性与实用性

本作品搭载高清无线视频采集设备和传感器模块，可以胜任航拍、监测、救援等多种任务。另外，本作品可以对新的飞行控制算法进行验证和测试，同时还可以作为其他大型四旋翼飞行器的飞行控制板，具有很强的新颖性和实用性。

3.3应用前景

根据我们作品的优势和特色，蜂鸟四旋翼飞行机器人既可作为体感遥控的飞行器，又可作为其他四旋翼飞行器的飞行控制板，还可搭载摄像头和传感器进行监测。据了解，目前市场上还未出现这种超小型多用途四旋翼飞行器，因此，本作品在个人娱乐娱乐、视频监测、教学、科学研究等领域具有很大的发展空间和潜在价值。

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