多旋翼无人机飞行原理

科技资讯2017 NO.29SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程

57 科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.29.057多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究①明志舒 黄鹏 刘志强 李乐蒙 高凯（国网山东省电力公司经济技术研究院 山东济南 250000）摘 要:随着社会的进步和国民经济的发展，现代高新科技的发展得到了前所未有的推进，为各行业的进步和发展提供了良好的保障。近些年来出现的多旋翼无人机，是一种集合多项现代高新科技的成果，具有定点悬停功能，能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。本文就四旋翼无人机为例，探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。关键词:多旋翼无人机 飞行控制系统 设计与实现研究 无人机飞行控制系统 中图分类号:V249 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)10(b)-0057-02

①作者简介：明志舒(1983,6—),男，汉族,湖北人,硕士,工程师，研究方向：输变电工程管理。1 飞行控制系统的硬件设计本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块，具体论述如下。1.1 控制器我们利用美国德州仪器公司所研发的TMS320F28335当作控制器当中的主芯片，可以说它是当下功能最为强大的一种芯片，具备对信号加以处理的功能，而且还有嵌入式控制以及针对事件加以管理的功能。该芯片的外部接口基本原则为：将飞控系统作为基础而定。该芯片不管是在引脚数目上，还是在引脚功能方面都非常贴合飞控系统的全部要求，所以说只要针对芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征为：(1)利用到了哈弗总线结构。(2)其代码安全模块利用到了128位密码对Flash加以保护，保证相关寄存器在数据方面的安全。(3)TMS320F28335的应用，实现了对开发时间大幅度的节约，这主要是其利用到了目前应用比较广泛的C/C++语言。(4)1K×16󰀡OTP󰀡ROM以及8K×16形式的Boot󰀡ROM，供给出了两个用于采样的电力，继而实现了对两个通道上信号实施的同步采集，所以有着非常高效的处理能力以及运算的精度，确保了信号所具备的时效性以及高速性。1.2 传感器1.2.1󰀡陀螺仪陀螺仪能够对检测指示器中的数据加以显示，是自动控制系统当中的一个非常重要的组成。应用的陀螺仪是MPU6050三轴形式的陀螺仪，具有16位的模拟、数字转换器，使输出模拟量实现向可输出数字量的转化。1.2.2󰀡加速度传感器在多旋翼的飞行控制系统当中，加速传感器应该说是一个非常重要的元器件。这不仅是由于加速度传感器具有动态载体的特性校正功能，并且它能够针对加速度实施积分，继而得出载体速度以及位置之类的基本信息。我们所选取的ADI公司研发的ADXL345传感器，同时兼具SPI以及I2C的数字输出功能，其分辨率较高，同时体积也比较小。1.2.3󰀡GPS模块当无人机在天空飞行的时候定位系统是十分重要的，需要对无人机所呈现的姿态加以实时的测量，可以说在无人机系统当中，GPS模块占据着一定的主导地位。我们选取了U-BLOX公司所研发和生产的CJMCU-6M当作GPS的接收机，该传感器具有接口较为方便，而且定位的速度也比较快，不用长时间等待的特征。其利用串口输出的形式RS-232数据传输，继而结合协议而解算无人机所处的坐标、高度和时间之类的信息。1.3 电源电源模块主要的功能是为飞控系统当中的其他模块供给电量，从而确保飞行顺利。电源模块当中主要包含一个电源接口，以及一个稳压器，稳压器所具备的功能是对电压加以转换，避免因为高电压而导致电路板和一些其他元器件的损坏。本文中选择系统稳压器的标准为5V输入，主控板的供电输出是3.3V，而最大的输出电流是500mA。1.4 执行机构驱动多旋翼无人机的飞行系统想要达成自主悬停功能，这就需要飞行器必须要在飞行不稳的情况之下能够迅速地改变成为平稳的状态，也就是在这种情况之下，执行机构要在非常短的时间之内做出相应的反应，让无人机所呈现的速度能够高速地提升或降低。本文所设计的系统当中采用直流无刷电机当作执行机构，继而配合无刷电调来应用，这个电机具备周期较长，而且效率较高等特征。电机是一种十分关键的执行机构，是对飞行器的姿态加以控制的动力。而我们所选择的直流无刷电机是想让四旋翼形式的飞行器形成多种飞行的姿态，工作的主要原理为对空气动力学的利用，从而使旋翼形成多种转速，继而达到想要的效果，完成各种飞行姿态。直流无刷的电机所接收到的控制信号是PWM波所发出的。而结合DSP所发出的具有不同占空比的信号，电机就能够做出相应的改变，继而形成各种转速，让无人机能够在空中显现出各种飞行的姿态。1.5 遥控接收我们所选择的接收机是我国天地飞公司所产出的WFLY型七通道的接收机，对遥控器发射的信号加以接收，在无人机的操作人员实施操控的过程当中，遥控器将会利用内部解算编码之类的过程把信号转变成为可以接收并识别的PPM信号，而接收机在对PPM信号加以识别之后，(下转59页)科技资讯2017 NO.29SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程

实训三 多旋翼无人机飞行训练

一、实训目的

1、能够驾驶四轴多旋翼无人机进行平稳起降和悬停；

2、能够驾驶四轴多旋翼无人机进行八面悬停飞行；

3、能够进行飞行前检查和飞行后检查；

4、有能力的进行水平8字航线飞行。

二、实训内容及要求

1、平稳起降和悬停训练，能够至少在定点模式下垂直平稳起降微型多旋翼无人机，起飞后定点悬停不超过一个机身位；

2、八面悬停训练，从对尾0度开始，向左或向右转动航向，至少在定点模式下进行45度、90度、135度、180度、225度、270度、315度、360度八个方向的微型多旋翼无人机悬停训练，偏离不超过一个机身位；

3、飞行前后检查，包括但不限于无人机系统外观、紧固件、连接线、电量、电子设备状态、信号、等；

4、水平八字飞行，有能力的同学可开展水平8字航线飞行训练，在教师指导下完成。

三、实训条件

1、微型多旋翼无人机，动力电池，充电器、维保工具等；

2、雪糕筒、警戒线、防护网、遮阳伞等飞行练习场地布置耗材；

3、无人机实训室；

4、飞行练习场地。

四、实训步骤

1、准备练习用设备前往飞行练习场，使用雪糕筒、警戒线、防护网、遮阳伞等工具布置飞行场地；

2、开展飞行前检查，包括但不限于无人机系统外观、紧固件、连接线、电量、电子设备状态、信号等，如有问题、故障等应进行排除；

3、完成飞行前检查，驾驶员距离无人机3米左右，解锁无人机，开始对尾垂直起飞、定点悬停、垂直降落训练；

4、对尾悬停飞行训练合格后，逐步开展左右侧向和对头悬停训练，并将动作进行组合，连续操作，完成八面悬停飞行训练； 5、飞行过程中关注无人机飞行状态，注意无人机和遥控器指示灯或电量信息，注意飞行场地的外来干扰，确保飞行安全；

6、飞行练习间隙应当随时检查无人机状态，及时学习和使用无人机系统和飞行管理知识；

7、八面悬停训练进度较快的同学，可开展水平8字航线飞行训练；

8、每次完成飞行训练，应进行飞行结束讲评，填写飞行学习记录表。

多旋翼无人机俯仰运动原理

今天咱们来唠唠多旋翼无人机俯仰运动的原理，这可超有趣的呢！

你看啊，多旋翼无人机就像一个小小的空中精灵。那它的俯仰运动是怎么做到的呢？这就得从它的几个旋翼说起啦。多旋翼无人机有好多旋翼，一般是四个或者六个，就像小翅膀一样。

想象一下，当无人机想要做俯仰运动的时候，就像是小鸟在点头或者抬头。前面的旋翼和后面的旋翼就开始“商量”着干活啦。如果无人机要向前做俯仰运动，也就是头向下低，那前面的旋翼就会转得慢一点，或者说力量变小一点。而后面的旋翼呢，就会加大马力，转得更快或者力量更大。这样一来，后面的旋翼产生的升力就比前面的大啦。就好像后面有人在用力地往上抬，前面有点往下压，无人机的头就自然地低下去，开始向前做俯仰运动啦。

反过来说，如果无人机想要抬头，做向后的俯仰运动呢？哈哈，这时候就轮到前面的旋翼威风啦。前面的旋翼会加大力量，转得更快，而后边的旋翼就会适当减弱力量，转得慢一些。这样前面的升力大，后面的升力小，无人机的头就抬起来，往后仰着走喽。

这就像是一群小伙伴在玩跷跷板一样。你这边用力多一点，那边用力少一点，跷跷板就会倾斜。多旋翼无人机的前后旋翼就像跷跷板两边的小伙伴，通过调整各自的力量，也就是旋翼的转速和产生的升力，来让无人机做出俯仰的动作。

而且啊，这个过程还得特别精确呢。就像厨师做菜，盐放多放少都不行。如果前后旋翼的力量调整得不合适，那无人机可就不是优雅地俯仰啦，可能就会像喝醉酒的小鸟一样，东倒西歪的。

再从另外一个角度想，多旋翼无人机的这种俯仰运动原理，其实就像是我们在平衡木上调整重心一样。当我们想往前倾的时候，就把重心往前挪一点，在无人机上，就是通过改变前后旋翼的升力来“挪动”重心，让它做出俯仰动作。 你知道吗？这种俯仰运动在无人机的飞行中可太重要啦。比如说，当无人机要飞过一个障碍物的时候，它可以通过俯仰来调整姿态，顺利地飞过去。就像我们跑步的时候要低头或者抬头避开树枝一样。又或者当无人机要拍摄一些特定的画面，像从低角度往上仰拍一个宏伟的建筑，它就得做出精确的俯仰运动，这样才能拍出超酷的照片和视频呢。

第４９卷第２期　２０１７年４月　京　航　Ｎａｎｊｉｎｇ　空航天大学学报　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ　Ｖｏ１．４９　ＮＯ．２　ＡＤｒ．２Ｏ１７　

ＤＯＩ：１０．１６３５６／ｊ．１００５　２６１５．２０１７．０２．０１４　

多旋翼无人机飞行控制自动调参技术　

朱训辉　宋彦国　王焕瑾　

（南京航空航大大学航空宇航学院，南京，２１００１６）　

摘要：目前，多旋翼无人机控制器设计问题中存在着大量的依靠经验的调参工作。为了使调参简单而又可靠，本　文基于控制器参数与控制系统性能响应存在的对应关系，提出了自动调参思想。在满足控制器各项性能指标的　前提下，利用粒子群算法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｗａｒｍ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ＰＳ０）提炼出优化目标和约束条件。对被控对象进行建　

模并搭建非线性模型。然后，利用工程实践方法估算出参数范围，并利用粒子群快速优化特点自动寻找在约束　条件下符合性能指标的控制器参数。最后，通过Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对模型进行仿真验证。仿真结果分析表明，　ＰＳＤ可快速准确地对飞行控制进行自动调参。　关键词：多旋翼无人机；飞行控制；粒子群算法；自动调参　中图分类号：ＴＮ９５８　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５　２６１５（２０１７）０２—０２３９—０６　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｔｕｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ—ｒｏｔｏｒ　ＵＡＶ　Ｆｌｉｇｈｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　

ＺＨＵ　Ｘｕｎｈｕｉ，ＳＯＮＧ　Ｙａｎｇｕｏ，ＷＡＮＧ　Ｈｕａ　ｉｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　８Ｌ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｔｕｎｉｎｇ　ｉｓ　ｔｏｏ　ｍｕｃｈ　ｒｅｌｙｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ