摘要: 多旋翼飞行器具有较好的发展前景，也是近年来的热门研究方向。本文讨论的四轴飞行器是一种四旋翼飞行器。首先介绍四轴飞行器的飞行控制原理；其次逐个阐述了基于CC3200单片机和MPU6050加速度计/陀螺仪的迷你四轴飞行器的各个关键模块，从软件和硬件的角度分别描述了各模块的实现和整合；最后，分析了该四轴飞行器的试飞结果以及该飞行器的一些不足。
引言
本文主要介绍了一种迷你四轴飞行器的控制原理，不同于市面上的大多数四轴飞行器，本文所讨论的四轴飞行器以WiFi网络作为控制器与飞行器的通信媒介，这将使四轴飞行器的易用性得到提高。
四轴飞行器原理简介
四轴飞行器，又称四旋翼飞行器、四旋翼直升机，是一种多旋翼飞行器。四轴飞行器的4个螺旋桨都是电机直连的简单机构，十字形的布局允许飞行器通过改变电机转速获得旋转机身的力，从而调整自身姿态。四轴飞行器可以完成垂直运动、俯仰运动、滚转运动、平移运动、偏航运动等动作。
1.1垂直运动
四轴飞行器的每个电机驱动一只旋翼，如图1所示，4只电机用圆形表示，机身框架由图中的十字结构表示。图1中，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加4个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四轴飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小4个电机的输出功率，四轴飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。当外界扰动量为零时，旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。保证4个旋翼转速同步增加或减小是保持垂直运动的关键。
1.2俯仰运动、滚转运动
倾斜姿态如图2所示，电机1、电机2的转速上升，电机3、电机4的转速下降。为了不因为旋翼转速的改变引起四轴飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速改变量的大小应相等，旋翼2与旋翼4转速改变量的大小应相等。由于旋翼1、旋翼2的升力上升，旋翼3、旋翼4的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转，发生俯仰运动。同理，当电机1、电机4的转速下降，电机2、电机3的转速上升时，机身便绕x轴向旋转，实现飞行器的滚转运动。
1.3平移运动
四轴飞行器在作出俯仰、滚转运动时，由于机体倾斜，旋翼提供的升力将产生水平分量，使得机体可以作出前、后、左、右平移运动。
1.4偏航运动
偏航运动如图3所示。四轴飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩影响，可使4个旋翼中的2个正转、2个反转，且对角线上的各个旋翼转动方向相同。
反扭矩的大小与旋翼转速有关，当4个电机转速相同时，4个旋翼产生的反扭矩则相互平衡，则四轴飞行器不发生转动；当4个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四轴飞行器转动。在图3中，当电机1和电机3的转速上升、电机2和电机4的转速下降时，旋翼1和旋翼3对机身的反扭矩大于旋翼2和旋翼4对机身的反扭矩，机身便在富余反扭矩的作用下绕z轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机1、电机3的转向相反。因为电机的总升力不变，飞机不会发生垂直运动。
能够作出以上几种动作，使得四轴飞行器具备了较高的灵活性和较好的操控性。
四轴飞行器硬件设计与实现
本文所讨论的迷你四轴飞行器以自身的PCB板为机架，由CC3200无线微控制器负责飞控算法、电机控制和无线通信，由MPU6050加速度计/陀螺仪负责获取姿态数据，由4只720空心杯电机和螺旋桨提供升力，由MOS管驱动电机，由锂电池和LDO稳压器提供电源。
2.1迷你四轴飞行器总体设计
该飞行器PCB尺寸为10 cm×10 cm，层数为两层。整体外观如图4所示。
为降低硬件开发复杂度，CC3200和MPU6050均使用成品模块。为节约空间、降低负重，PCB上的阻容器件均采用0603封装，其他器件采用小型贴片封装。
2.2CC3200模块
CC3200是TI公司推出的一款单芯片无线微控制器，为SimpleLink、WiFi和物联网提供解决方案。CC3200由应用微控制器、WiFi网络处理器和电源管理子系统组成。
应用微控制器采用ARM CortexM4内核，运行频率为80 MHz，具有256 KB RAM，浮点运算能力较强，满足飞控算法性能要求；有2个UART接口、1个I2C接口、4个通用定时器，通道支持16位脉宽调制 (PWM) 模式，4通道12位模/数转换器 (ADC)，多达27个独立可编程、复用通用输入/输出(GPIO)引脚，硬件接口完全满足四轴飞行器的功能需求。
WiFi网络处理器子系统特有WiFi InternetOnaChip专用ARM MCU，完全解除应用微控制器的WiFi和互联网协议处理负担。ROM中固化有WiFi以及互联网协议、802.11 b/g/n射频、基带、媒介访问控制(MAC)、WiFi驱动器和请求方TCP/IP堆栈。
电源管理子系统集成DCDC转换器，支持2.1～3.6V宽范围的电源电压，并具备高级低功耗模式。
本文所使用的CC3200模块已集成必要的外围电路和时钟，扩展出GPIO和外设接口，仅需提供电源即可运行。PCB中引出CC3200模块的2路UART和1路JTAG进行调试，1路I2C总线与MPU6050传感器通信，4路PWM用于控制电机，2路GPIO控制指示灯。
2.3MPU6050模块
MPU6050为整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，避免了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的封装空间。MPU6050的角速度全格感测范围为±250°/sec、±500°/sec、±1 000°/sec与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g，产品传输可通过最高至400 kHz的I2C总线接口实现。MPU6050可在不同电压下工作，VDD供电电压为2.5 V±5%、3.0 V±5%或3.3V±5%。MPU6050的封装尺寸为4×4×0.9 mm3(QFN)。MPU6050还包含内建的温度感测器、在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。
MPU6050模块已集成必要的外围电路，扩展出I2C接口，仅需提供电源并进行配置即可使用。
2.4电机及其驱动电路
四轴飞行器采用转速高达45 000 r/min的720空心杯电机提供动力。电机由SI2302场效应管驱动，场效应管由CC3200 PWM控制。
2.5电源设计
四轴飞行器的电源由锂电池提供。锂电池容量为500 mAh、放电系数为20C，最大放电电流为10 A，可支持飞行器飞行5 min。电池输出分两路，一路直接通过MOS管加在电机上为电机供电，另一路通过XC6206 LDO稳压到3.3 V，为CC3200和MPU6050供电。
2.6遥控器设计
四轴飞行器使用Android手机通过WiFi与CC3200建立连接并通信。手机端遥控APP将在3.2节介绍。
四轴飞行器软件设计与实现
3.1四轴飞行器端固件
四轴飞行器端固件主要实现如下功能：
① 初始化CC3200应用控制器。
② 初始化并配置MPU6050传感器。
③ 初始化网络处理器并建立WLAN AP和TCP Server Socket，等待遥控连接。
④ 进入主循环，处理传感器数据，生成姿态数据并根据姿态和遥控指令计算出每个电机的PWM输出值。
main()函数框架如下（略去部分代码）：
void main(){
BoardInit();//初始化CC3200
PinMuxConfig();//配置引脚
InitPWMModules();//初始化PWM
I2C_IF_Open(I2C_MASTER_MODE_FST);//初始化I2C
mpu_setup();//初始化和配置MPU6050
……
//初始化网络子系统，建立WLAN AP和TCP Server Socket
osi_TaskCreate( WlanAPMode, \\
(const signed char*)"wireless LAN in AP mode", \\
OSI_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL );
//主循环，处理传感器数据，生成姿态数据并实现飞控算法
osi_TaskCreate( GestureCtrl, \\
(const signed char*)"gesture ctrl", \\
OSI_STACK_SIZE, NULL, 1, NULL );
……
}
主要飞控算法函数Gesture_ctrl()框架如下（略去部分代码）：
void Gesture_ctrl(int accelerato, float offsetX, float offsetY){
MakeOut_xyz();//根据传感器返回的数据计算x、y、z三个轴向的倾角
UpdatePID(offsetX, offsetY);//计算调节量
//把几个轴向的调节量加在相应的电机上
moto1 = accelerato + pid_rol.out - pid_pit.out - pid_yaw.out;
moto2 = accelerato - pid_rol.out - pid_pit.out + pid_yaw.out;
moto3 = accelerato - pid_rol.out + pid_pit.out - pid_yaw.out;
moto4 = accelerato + pid_rol.out + pid_pit.out + pid_yaw.out;
//将运算结果输出给PWM控制器
UpdateDutyCycleMoto1(moto1);
UpdateDutyCycleMoto2(moto2);
UpdateDutyCycleMoto3(moto3);
UpdateDutyCycleMoto4(moto4);
}
其中，UpdatePID(offsetX, offsetY)根据倾角、遥控指令(offsetX, offsetY)和PID算法，求出x、y、z三个轴向上的调节量pid_rol.out、pid_pit.out和pid_yaw.out。offsetX、offsetY 为遥控器命令指定的目标姿态，PID算法将改变电机输出，使机体姿态调整到目标姿态。PID算法公式为：uk=Kp×ek+Ki∑kj=0ej+Kd(ek－ek－1)
其中，u为调节量；e为当前姿态的姿态角较目标姿态的偏差，即offsetX + x或offsetY + y（x、y为当前姿态倾角）；Kp为比例相系数；Ki为积分项系数，积分项为e的累加和；Kd为微分项系数，角度的微分即角速度，所以微分项可由MPU6050的陀螺仪输出直接得到。
网络通信的简要代码如下（略去部分代码）：
int BsdTcpServer(unsigned shortusPort){
……
//填充TCP Server Socket地址
sLocalAddr.sin_family = SL_AF_INET;
sLocalAddr.sin_port = sl_Htons((unsigned short)usPort);
sLocalAddr.sin_addr.s_addr = 0;
//创建TCP Server Socket
iSockID = sl_Socket(SL_AF_INET,SL_SOCK_STREAM, 0);
//绑定TCP socket
sl_Bind(iSockID, (SlSockAddr_t *)&sLocalAddr, iAddrSize);
//监听TCP连接
sl_Listen(iSockID, 0);
//设置Socket操作为非阻塞模式
sl_SetSockOpt(iSockID, SL_SOL_SOCKET, SL_SO_NONBLOCKING,&lNonBlocking, sizeof(lNonBlocking));
iNewSockID = SL_EAGAIN;
while( iNewSockID < 0){
//接受TCP连接请求
iNewSockID = sl_Accept(iSockID, ( struct SlSockAddr_t *)&sAddr,(SlSocklen_t*)&iAddrSize);
}
return iNewSockID;
}
void TcpLoopRecive(void *pvParameters){
……
while(1){
//接收TCP包
sl_Recv(iNewSockID, g_cBsdBuf, 16, 0);
//解析遥控指令
if(g_cBsdBuf[0] == 0xAA){
accelerato = g_cBsdBuf[1] + ((int)g_cBsdBuf[2] << 8);
memcpy(&offsetX, g_cBsdBuf + 3, 4);
memcpy(&offsetY, g_cBsdBuf + 7, 4);
}
}
}
3.2遥控器端APP设计
遥控器APP运行在Android手机系统中，主要功能是建立与CC3200的TCP连接，为用户提供操作界面，获取用户输入，并通过TCP Seruer Socket将输入传给CC3200。用户界面如图5所示，该界面能够获取用户的“方向”和“油门”输入。
结语
按照本文的方案设计出的四轴飞行器，在试飞中可以根据遥控器指令，作出悬停、垂直运动、水平运动等动作，验证了本方案的可行性。同时，四轴飞行器方案在飞行稳定性、遥控距离、电源稳定性方面，还有很大的提升空间。
文章来源：单片机与嵌入式系统应用