基于ARM的一种无人航拍旋翼飞行器设计

引 言

随着商业航拍和科研航拍需求不断增大，无人航拍旋翼飞行器逐渐进入人们的视野。无人航拍旋翼飞行器以其小巧的体积、灵活的飞行方式以及比载人航拍更低的成本和风险而倍受大家的关注。但是在使用中出现一系列的不足，如传统“X”形构架四旋翼飞行器电机末端相交于飞行器中心点，共振现象明显，航拍效果不佳。市场上几乎没有具备飞行状态实时反馈功能的产品，不易于飞行器状态监控。本文提出了“H”形构架的飞行器有效减轻了震动，提高了航拍质量。主控 ARM系统采用双飞控处理系统，如果工作中的 ARM 芯片状态异常能够自动切换为另一个 ARM 芯片控制，提高了飞行的安全性。飞行器支持多种飞行模式切换，工作灵活性更高。遥控器上装有 LED 屏幕，实时反馈飞行高度、可提升高度、续航时间等信息，增加了飞行的可靠度。

1 原理

1.1 飞行器力学原理

旋翼飞行器升降运动的实现依靠同时改变所有旋翼的速率。水平运动的实现是依靠旋翼产生的力矩。飞行器两轴的反向旋转是用于平衡和改变每个边的力矩，从而产生合力矩或者维持平衡态。利用合力矩可以实现旋转运动。若要按顺时针方向旋转，就要增加旋翼 2 和 4 的速度以克服旋翼 1 和 3产生的力矩。其受力示意图如图 1 所示。

以四旋翼飞行器重心为原点建立空间坐标系，其中心与坐标（x，y，z）相关，与绕 X 轴翻转角 ψ、绕 Y 翻转角 θ、绕Z 轴旋转角 φ 相关。式（1）表示旋转关系：

其中：cθ和sθ分别代表cosθ和sinθ。每个旋翼产生的力矩相当于纵向的力，这些力矩在低速情况下与力呈线性的。此处的4个输入力与6个输出自由度（x，y，z，θ，ψ，φ）构成一个欠驱动系统。处于同一轴上的旋翼旋转方向相同，不同两轴上的旋翼方向相反，起到了平衡力矩的作用，并且能够完成相应的偏航运动。

根据力和力矩平衡的平衡关系所得到关于方程 x，y，z，θ，ψ， φ 的方程 ：

式中 Ki 表示阻尼系数，因为阻力产生的影响极小，所以阻力忽略不计。由此可以定义4 个输入为：

Ji 是对于轴的转动惯量，C 是力与力矩的比例因子。a1 表示了在 Z 轴方向上的加速度，a2、a3 表示输入的侧倾和俯仰，a4 表示了一个旋转力矩。因此运动方程可变为 ：

上式表达了输入与输出之间的关系，程序设计基于以上 物理推导编写。通过改变电机转速从而改变F1，F2, F„ F4, 由式（12）〜（17）可以得到旋翼飞行器的6个自由度。

1.2飞行原理

该旋翼飞行器最大改进在于采用创新的“H”形结构取代 “X”形结构，电机末端不再交于一点，能有效降低共振，其 构架如图2所示。飞行器的电机位于“H”形的四个端点，利 用四个电机的转速差使其形成不同的飞行姿态，凭借相对简 单的结构，电机可以直接驱动，此驱动系统［3］无需复杂的传 动装置，利于其连续航行和产品小型化。由电机控制旋翼转速, 改变旋翼转速从而改变飞行器升力，达到变换行姿态的目的［4］。

图2旋翼飞行器模型

电机1和3逆时针旋转，电机2和4顺时针旋转，故在 平衡飞行状态下，空气动力扭矩效应与陀螺效应都会抵消。各 旋翼对自身施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，可以平衡旋 翼对自身的反扭矩。控制飞行器的6个自由度可由改变相应电 机的转速来完成。飞行器可以完成：升降运动、翻转运动（电 机1和3为轴或电机2和4为轴）、旋转运动、平移运动（前 后或左右）。

1.2.1升降运动

若同时增加4个电机转速，使得向上拉力增加，当拉力 大于飞行器重力时，飞行器便垂直上升；同理，同时减小所 有电机转速，到拉力小于重力时，飞行器则垂直下降；当拉 力等于重力时，飞行器在空中保持悬停姿态。

1.2.2翻转运动

当电机1转速上升，电机3转速下降，电机2和4转速 不变时。因为在转速改变过程中，变化速度相等，旋翼1升力 增加，旋翼3升力减小，产生不平衡力矩导致飞行器绕旋转轴 （电机2和4连线形成的轴）翻转，从而实现翻转运动，同理， 在电机1转速减小，电机3转速增加的情况下，飞行器绕旋 转轴向反方向翻转。以电机1和4为轴的翻转运动原理相同， 只是将变量改为电机2和4，固定量改为电机1和3,即可完 成相应翻转。

1.2.3旋转运动

运用旋翼产生的反扭矩可以完成旋转运动。由于空气阻 力，旋翼转动的时候会产生与转动方向相反的反扭矩，为了 消除这种影响，可使两个旋翼正转，两个旋翼反转，在同一 根轴上的旋翼沿同向旋转。反扭矩的值与旋翼转速相关，如 果4个电机转速相同，反扭矩互相平衡，飞行器不会转动； 如果4个电机转速不完全相同，飞行器将沿着反扭矩合力方 向转动。当增加电机1和3的转速，减小电机2和4的转速时， 旋翼2和4对飞行器的反扭矩将小于旋翼和3对飞行器的反 扭矩，飞行器沿着反扭矩合力的方向水平旋转，进而作旋转 运动，方向同电机1和3的旋转方向相反。反方向旋转运动 则提升电机2和4转速，降低电机1和4转速即可。

1.2.4平移运动

若要在水平面上进行平移运动，飞行器需要受到水平方 向上力的作用才能完成指定运动。若要向电机1方向前进，贝！ 在提升电机3转速的同时降低电机1的转速，并保持其余电 机转速不变，反扭矩依旧要维持平衡状态。整个机身会出现 小幅度倾斜，使旋翼拉力有水平分量，因而向前运动。其余 三个方向的运动，减小相应电机速率，同时增大对角线上电 机的速率即可完成。

2硬件系统设计

2.1硬件系统

旋翼飞行器包括飞行器和飞行控制器两大部分。

2.1.1飞備构架

飞行器由ARM系统、无线传输模块、陀螺仪模块、气 压计模块、曾稳云台摄像头系统模块、GPS模块、LED模块 和电机模块组成［5］，飞行器构架如图3所示。无线传输模块 接收来自遥控器发出的信号，进而将控制信号传输给ARM系 统，ARM系统I/O 口根据接受到的信号控制电机旋转。陀 螺仪用于飞行器检测自身飞行姿态，通过陀螺仪状态反馈给 ARM系统，再根据相应PID算法，系统能够得知当前飞行姿 态并进行飞行姿态调整。气压计模块用于检测气压，估算飞 行高度，提供飞行器所处高度和可提升高度等参考信息。增稳 云台摄像头系统模块包含三轴无刷云台等航拍仪器；GPS模 块用于飞行器定位；LED模块显示飞行前各种参数及校准信息；电机模块包含4个电机、旋翼和相关电路。

2.1.2飞行控制器构架

飞行控制器由ARM最小系统模块、飞行控制模块、无 线传输模块、LED显示模块4部分组成，其构架如图4所示。 ARM系统为控制器收发指令、处理数据、显示信息的控制中 枢。飞行控制模块由遥控器上的摇杆、A/D转换芯片和相应 传感器组成，能够将控制指令发送至主控芯片。无线传输模 块将一系列的控制指令传发送给飞行器，同时接收飞行器反 馈回来的状态信息。LED模块用于显示飞行器反馈回来的各 种飞行信息。

LED显示模块2.1.3飞行器性能指标

控制器核心处理器采用ARM Cortex-M3内核的 STM32F4系统高性能处理器，配合六轴加速度和陀螺仪传 感系统MPU6000，高精度数字气压计MS5611，电子罗盘 HMC5883, GPS采用高精度UBLOX-LEA6H系列，无线模 块使用NRF24L01+PA+LNA,机身使用高硬度碳纤维材料, 云台使用三轴无刷云台。飞行器可控裸视半径1 000 m，飞行 器空载重量1.1 kg，带增稳云台摄像系统重量1.4 kg，最大飞 行高度800 m，最大移动速度10 km/h，2 200 mAh电池供电 空载安全续航时间20分钟，带增稳云台摄像系统安全续航时 间10分钟。

该方案包含5种飞行模式：

姿态飞行模式：纯遥控器操作飞行器上升下降、左 右前后飞行，飞行器不维持高度和悬停位置。

定高飞行模式：飞行器自动控制飞行高度，操纵者 控制飞行器左右前后飞行，飞行器自动维持咼度，并可以以一 定速度爬升和下降，飞行器不维持悬停位置。

GPS飞行模式：飞行器自动控制飞行高度，并在无 操作时自动维持位置悬停。

返航模式：包括失控返航和切换返航，当飞行器丢 失遥控信号时，通过GPS导航系统自动回到起飞点。切换返 航则是操作者主动拨杆切换返航回起飞点。

航点模式：飞行器根据地面站设置的GPS位置信息, 逐个航点巡航飞行。

2.2飞行器ARM系统

本方案采用的ARM系统模块集成度高、精度高、实时 性强、功耗低、主控体积小、重量轻、抗干扰能力强和成本 低，故使航拍式旋翼飞行器具有集成度高、精度高、实时性强、 功耗低、主控体积小、重量轻、抗干扰能力强和成本低的特点。 并使用创新的双飞控系统，在一个ARM系统损坏的情况下能 切换到另一个ARM系统继续安全飞行。

图5双飞控系统

如图5所示，双飞控处理单元分别通过隔离模块连接到 仲裁芯片，仲裁芯片自动判别正常工作的飞控并稳定输出正确 信号，也可通过飞行控制器手动经过切换。切换过程完全不经 过任何处理器，仲裁芯片使用多通道数据选择器，简单可靠。

3软件系统

3.1飞行器软件设计

基于上述飞行物理原理对软件进行设计。首先飞行器启 动，软件系统对外部设备、气压计模块、陀螺仪模块初始化, 然后进行陀螺仪校准(校准时需要将飞行器保持水平)。收到 飞行控制器的起飞指令后确认飞行模式，若为航点定向模式则 飞行程序按照自指定航向自动运行，若为手动操控模式则实时 接收控制器指令。若系统异常(如监听异常、电机异常)或收 到降落指令则飞行器降落。

打开飞行控制器开关，软件系统首先检查无线模块、摇杆、 显示系统是否正常。正常运作后不断采集摇杆信号，ARM将 收到的信号程序处理成相应控制代码由无线模块发送；同时 程序不断将收到的数据处理成可读信息实时显示在LED屏幕 上。系统运行过程中一旦收到模式转换指令，程序自动切换到 相应算法。

4结语

按照此方案设计的无人航拍旋翼飞行器，“H”形结构有效降低了共振现象，使航拍效果更好 ；基于 ARM 的双飞控方案提高了飞行可靠度 ；高集成度的精简电路设计和碳纤维机身使飞机功耗很低，续航时间持久。在实际使用过程中，安全飞行时间内始终保持高稳定度、高质量航拍 ；飞控系统切换迅速，几乎不影响飞行的连贯性 ；多种飞行模式切换灵活方便。

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