HC-SR04+MS5611的四轴飞行器PCB设计

PCB线路板打样 2019-08-16 4593

描述

1系统功能概述

1.1 四轴飞行器原理介绍

四轴飞行器通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。结构上，本次应用中使用四轴飞行器的飞行模式是 X 模式，如图“图 1.1”所示，四轴飞行器的四个电机一对正转，一对反转使得垂直方向旋转的反扭矩平衡, 从而保证了飞行的稳定。四轴飞行器可以用作航拍、玩具等，

在我们生活中已经越来越常见。

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图 1.1 四轴飞行器飞行模式（X 模式）

四轴飞行器的基本飞行状态可以分为：垂直飞行、水平飞行（俯仰和翻滚）、偏航飞行，分别如“图 1.2”所示。（1）垂直飞行：如下图（a）所示，同时增加或减少四个电机的转速，四轴飞行器则会垂直上升或下降。（2）水平飞行：如下图（b）所示，增加两个电机的转速，如电机 M1 和 M4，同时减少另两个电机 M2和 M3 的转速，则四轴飞行器将向右飞行，同理可得向前、向后、向左方向的飞行方式。（3）偏航飞行：如下图（c）所示，增加两个电机的转速，如电机 M1 和 M3，同时减少另两个电机 M2和 M4 的转速，则四轴飞行器将顺时针偏转，同理可得逆时针偏转的飞行方

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图 1.2 四轴飞行器飞行

1.2 PID 平衡控制

对于四轴飞行器平衡控制算法中，电机的转速并不是单独由油门来决定，而是以油门为基准整合上空间三轴俯仰（Pitch）、翻滚（Roll）和偏航（Yaw）的控制量来决定，如下公式所示。

例如，四轴飞行器机头向下倾斜时（对应俯仰），为了达到平衡，电机 3 和电机 4 增大转速，电机 1 和电机 2 减小转速，此时俯仰控制量应该向负增大（控制量的正负由姿态芯片 MPU6050 摆放决定）。

电机 1 转速 = 油门 + 俯仰 + 横滚 - 偏航

电机 2 转速 = 油门 + 俯仰 - 横滚 + 偏航

电机 3 转速 = 油门 - 俯仰 - 横滚 - 偏航

电机 4 转速 = 油门 - 俯仰 + 横滚 + 偏航

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上述的三轴控制量则由本系统中使用的增量式 PD 控制得到（PID 控制算法的一种）。以俯仰控制量为例，MPU6050 可以得到空间三轴的旋转角速率，正好是角度的微分，所以可以得到以下计算公式。

俯仰（Pitch）控制量 = P * 对应期望角度与实际角度的偏差 + D * 对应轴的角速率值

翻滚（Roll）控制量 = P * 对应期望角度与实际角度的偏差 + D * 对应轴的角速率值

偏航（Yaw）控制量 = D * 对应轴的角速率值

由于实际偏航角（Yaw）无法由 MPU6050 测得，需要用电子罗盘，但是电子罗盘在四个电机的电磁作用下，精度受影响较大，所以上式中偏航（Yaw）控制量去除比例项，仅由微分项得到。

MPU6050 的姿态刷新频率约为 10ms 一次

1.3 定高控制

高度的采集通过超声波模块 HC-SR04 实现，由于测量距离的限制（约 2cm-120cm），本系统仅适用于室内低空飞行，默认高度设定为 60cm。

定高部分算法，根据超声波检测的距离进行 PID 控制，定高控制的输出量与初始油门（由机身本身的重力和当前电池电量决定）叠加作为当前油门，从而不断调节四轴飞行器油门值来实现垂直方向上的定高，而水平方向由于缺少 GPS 相关模块，未能得到进行水平方向的控制量，所以本系统只能实现简单的悬停。

超声波模块 HC-SR04 置于四轴飞行器底部，高度刷新频率约为 50ms 一次。

1.4 四轴飞行器演示板

本篇用户手册使用的演示板如“图 1.3”所示，单片机 R7F0C014 通过 I/O 端口模拟 IIC 控制姿态芯片MPU6050，然后使用 MPU6050 的硬件解算（内置的 DMP 模块）直接获取和姿态相关的四元数等数据，再将四元数转化为欧拉角，最后以当前姿态角和捕捉的遥控数据为控制量，通过 PID 控制四个电机以达到控制四轴飞行器姿态的目的。通过 MPU6050 的硬件解算，可以避免复杂的姿态融合算法，从而减轻单片机的负担。

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图 1.3 四轴飞行器演示板

系统整机结构图如“图 1.4”所示。为了硬件的安装和固定，演示板背面并没有贴装任何器件，而是直接固定在机架上。机架的底部用于放置锂电池，并固定超声波模

图 1.4 四轴飞行器整机正面和背面

1.5 操作说明

（1）启动：依次打开四轴飞行器和遥控器的电源开关，四轴飞行器的四个机翼处 LED 将会闪烁两秒，然后变为常亮。

（2）解锁：将遥控器左手边的油门拉至最低，油门摇杆上方的蓝色 LED 点亮，解锁完成（注意：解锁完成前不要操作方向摇杆），此时，右手方向摇杆上方的蓝色 LED 不断闪烁，表明和四轴飞行器通信正常，便可以开始遥控飞行器。

（3）定高飞行：此功能仅限室内低空飞行（1.5 米以内）。解锁完毕后，拉高油门，待四轴飞行器达到一定高度后，按下遥控器最右下方按键，进入定高飞行，四轴飞行器会定高在默认设定的 0.6 米处飞行。再次按下此按键，四轴飞行器将自动降落，落地后需将油门拉至最低。

注意：因四轴飞行器飞行过程中，电机的电流消耗较大，可以达到数安培，飞行时间只能持续几分钟，当机翼处 LED 闪烁时，说明电池电量已过低，为了安全起见，请充电后再使用。

图 1.5 四轴飞行器和遥控器

图 1.6 四轴飞行器整机加外壳

1.6 四轴飞行器的不足和可改进之处

（1）四轴飞行器定高：由于本应用使用超声波定高（硬件限制），所以只适用于室内低空定高飞行。对于室外高空定高飞行，用户可以根据需要加入气压计 MS5611 实现，本系统中也预留了此部分电路。但是由于场地环境限制，以及测试的时候发现气压计 MS5611 存在测量精度不足和数据随时间漂移等问题，因此没有添加此部分功能。如有条件及需求，用户可以自行添加此部分功能。

（2）姿态控制：姿态获取方面，本应用使用姿态芯片 MPU6050 的硬件 DMP 功能直接读取并计算得到当前姿态，由于读取的周期限制（约 10ms），姿态的更新频率有限。用户也可以采用读取 MPU6050三轴重力加速度和三轴陀螺仪数据来获取当前姿态，但是需要经过较为复杂的姿态运算和滤波（如卡尔曼滤波），建议采用高主频的 MCU 实现（如 72MHz 以上），以提高姿态的更新频率。而姿态控制算法方面，本应用使用的是相对简单的单级 PID 控制，用户也可以选择串级 PID 控制以达到更好的控制效果。

（2）参数调节：系统中的姿态和定高的 PID 参数等适用于本套机械结构，是经过多次试验，得到的较优参数，用户需要根据自己的系统选择和调试相应参数，调试四轴飞行器时，请做好一定保护措施，防止意外情况。

（3）遥控距离：由于本系统遥控器采用的是 PCB 天线，遥控器的发射功率强度有限，以致操控有效距离不到 10 米。用户可以使用更大的天线（如鞭状天线）加入遥控器的 2.4GHz 发射部分，以实现远距离操控。

1.7 安全注意事项

四轴飞行器具有一定危险性，操作不当可能会发生人身伤害。在调试四轴飞行器的时候，最好在室外空旷地方，并做好一定保护措施。刚接触四轴飞行器的用户，应尽量在近距离低空飞行，熟练操作。如出现操作失误，应快速拉低油门，使四轴飞行器尽快降落，防止失控发生意外。

四轴飞行器演示板介绍

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四轴飞行器演示板

四轴飞行器演示板的硬件结构框图如下

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