基于四轴飞行器的运载机器人设计

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四轴飞行器作为一种新兴飞行器，由于它稳定可靠、结构简单、使用方便，已经在多个领域中得到了广泛的使用，而更多的用途也不断被开发出来。为了实现四轴飞行器作为一种运载工具的运用，本文主要介绍低成本高性能的32位微控制器STM32F103RBT6，整合性9轴运动处理组件MPU9250，ELE-P2015型电磁铁，主要的控制算法，货物的运载及投放的实现方式。本文涵盖了主要器件选型、电路设计、核心算法与部分硬件设计细节。本设计能实现运载及投放200g左右的货物。

【关键词】四轴飞行器 运载 机器人 微控制器

四轴飞行器自从被发明以来，由于它具有灵活、稳定、可悬停等优点，得到人们的广泛关注。目前它在商业领域中主要是用于执行低成本航空拍摄任务，如体育赛事、综艺节目的拍摄录制。与此同时，四轴飞行器在其他领域的运用也在不断拓展，比如军事侦察，地形勘察等。考虑到四轴飞行器具有一定的运载能力，本文打算从另一运用出发，让四轴飞行器执行货物的运载与投放任务。传统的货物运输主要是靠人力完成，比如说快递等，在这个人力资源越来越宝贵的今天，我们有必要尝试将人力资源从这些事务中解放出来。近年来由于与四轴飞行器的有关各个核心难题被逐渐攻克，四轴飞行器的价格也逐渐走低，而性能却在不断的提升，因此得以实现高效能，低成本的无人机载货与投放方案 。

1 主要器件选型

为了实现低成本的目的以及便于程序的开发、调试，选择合适的微控制器和姿态传感器是关键。本设计采用意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机。STM32系列是基于ARM公司Cortex-M3内核的一款高性能的微控制器，它的功耗低，在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），而待机时则下降到2μA；集成度高，内部集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等；资源丰富，最多多达11个定时器和112个的快速I/O端口，同时还具备12位高精度AD转换，具备PWM波调制，I2C总线控制，串行通信等功能，使得电路大大简化。丰富的硬件资源使得它非常适合用作四轴飞行器的主控芯片。

姿态测量系统是用于感知四轴飞行器的飞行姿态。如何实时，低噪声地获取飞行器的姿态信息是整个控制系统的关键。MPU9250[5]是InvenSense公司推出的第二代9轴组合传感器，它将6轴惯性测量单元（加速度计+陀螺仪）和3轴磁力计集成于3mm×3mm QFN封装中，相比上一代产品，面积减小了45%。它解决了陀螺仪与加速器安装时的轴间差问题，占用很少的PCB空间。它具有131 LSBs/°/sec 的敏感度与测量范围为±250、±500、±1000、±2000°/sec 的3轴角速度感测器（陀螺仪）和可编程测量范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速度计。MPU9250拥有高达400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主机接口，使得它与控制芯片能够做到快速、实时地通信。

电磁铁在通电状态下可以产生强吸附力，把它安装在自动化设备中可对被吸附物体起到停止或移动作用。广泛应用于自动化配送生产线，分拣机器，机械手，实验设备，医疗研磨、切割、切削等自动化加工生产线上材料或产品的输送、传递。它具有控制简单，省力省电，安全可靠，并且可以进行远程操作等优点。它要求被吸附物表面应该尽可能地平整，吸引力是指电磁铁吸合面与被吸附的铁块完全接触之后通电产生的吸力。本设计从简易性和可靠性出发，选用ELE-P2015型号的电磁铁来实现货物的运载与投放。ELE-P2015自重轻，仅25g；体积小，三维为20mm×18mm×15mm；吸附力强，在12V供电，理想接触的情况下可达2.5kg。只需要在货物的表面贴一块薄铁片，便可利用电磁铁通电产生强磁将货物吸住，断电后退磁释放货物以实现我们的目的。

2 电路设计

这里的设计主要分为四个部分，第一部分是微控制器STM32的基本电路，作为整个设计的控制核心，通过对传感器采集回来的数据加以分析处理然后发出控制信号；第二部分是各个传感器，负责飞行器姿态数据的采集与转换并通过I2C总线发送给微控制器；第三部分是控制部分由无感无刷电子调速器和无刷电机以及电磁铁组成，起到控制输出以调节姿态的作用；第四部分是通信电路，由蓝牙串口模块组成，起到飞行器与PC或手持设备交换数据的作用。

主控芯片STM32核心电路与部分器件连接电路如图1所示。

传感器电路设计与电磁铁控制电路如图2所示。

3 PID控制算法

我们以飞行器的横滚轴roll为例介绍四轴飞行器的PID控制算法。首先是由微控制器通过姿态传感器获得的飞行器的姿态角rol_now，其值在+-90°之间。然后由微控制器解算遥控接收机的PPM信号，得到控制的目标姿态角rol_tar，其值在1000-2000之间。通过它们的差值就可以得到控制偏差量rol_err。对rol_err进行积分并限幅可以得到rol_i，乘以控制系数PID_ROL.I即可得到积分控制PID_ROL.iout。同理可得到比例控制PID_ROL.pout和微分控制PID_ROL.dout。其中微分控制PID_ROL.dout中的rol_d来源于横滚轴的陀螺仪直接测量输出，能起到很好的抑制飞行器振荡。将PID_ROL.pout、PID_ROL.iout和PID_ROL.dout相加即可得到四轴飞行器的横滚轴控制输出。再将输出分别作用于四个电机便可以完成对roll轴的控制。相关代码如下

rol_err= rol_now-（rol_tar-1500）/10.0；

rol_i+=rol_err；

rol_i=Number_Limit（rol_i，10，-10）；

PID_ROL.pout = PID_ROL.P * rol_err；

PID_ROL.iout = PID_ROL.I * rol_i；

rol_d =（GYRO.X/1000.0）

PID_ROL.dout = PID_ROL.D *rol_d；

PID_ROL.OUT = PID_ROL.dout + PID_ROL.iout + PID_ROL.pout；

moto1 = throttle - PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；

moto2 = throttle + PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；

moto3 = throttle + PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；

moto4 = throttle - PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；

4 硬件电路设计

电磁铁的安装以及整机效果如图3和 图4所示。

5 结论

本文利用STM32F103RBT6作为核心控制器件，再加上整合性9轴运动处理组件MPU9250， ELE-P2015型电磁铁和必要的电路及硬件资源，设计实现了具备实时姿态控制、悬停、飞行、货物运输与投放等功能的四轴飞行机器人。利用电磁铁作为物体的拾取和投放方式，改变了以往的机械手结构复杂、体积大、容易滑脱等缺点，达到了重量轻、结构简单、可靠性更高等优点。这样同时减少了飞行器的总体质量，使得飞行器的有效载荷更大、滞空时间更长，这也为以后的各项扩展应用打好了基础。

参考文献

[1]彭军桥.非共轴式碟形飞行器研究[D].上海大学，2012，1-68.

[2]姬江涛，扈菲菲，贺智涛等.四旋翼无人机在农田信息获取中的应用[J].农机化研究.2013，02：1-4.

[3]黄鹏宇，曾路荣，杨川等.一种新型灾难救援四轴航拍飞行器设计[J].四川兵工学报，2014，06：124-128.

作者简介

李浩蜜（1993-），男，重庆市人。现为重庆大学通信工程学院本科生，研究方向为电子与通信工程。

作者单位

1.重庆大学通信工程学院 重庆市 400044

2.重庆市巴蜀中学 重庆市 400013