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摘要：針對于四旋翼飛行器，利用藍牙實現(xiàn)了對飛行器姿態(tài)的簡單控制。四旋翼飛行器選用AT32UC3A1512單片機作為控制芯片，并且利用LSM303D傳感器對飛行器的數(shù)據(jù)進行實時采集。四旋翼飛行器使用藍牙進行通信，通過PID算法控制飛行器狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;藍牙

近幾年人工智能和計算機技術(shù)飛速發(fā)展，智能操作系統(tǒng)已經(jīng)廣泛滲透到人們的生活當中，比如智能家居、自動駕駛等方面［1－4］。四旋翼飛行器具有6個自由飛行角度，能夠?qū)崿F(xiàn)升降、懸停、前后、左右等功能，而且具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉便于維護等優(yōu)點。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)主要由人機模塊、電機模塊、姿態(tài)控制模塊組成。人機交互模塊通過藍牙技術(shù)向主控制器發(fā)送運行指令，同時各傳感器對飛行器自身狀態(tài)以及外部環(huán)境等多種參數(shù)進行實時檢測，經(jīng)過主控制器與設(shè)定參數(shù)相比較并且進行運算處理輸出響應(yīng)信號，最終通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對四旋翼飛行器的姿態(tài)調(diào)整。

2控制器軟硬件搭建方案

四旋翼飛行器的四個電動機選用的型號完全相同，并且按照順時針相差九十度的順序依次安裝在飛行支架上。四個電機的旋轉(zhuǎn)方向一共分為兩種：順時針和逆時針。旋翼的旋轉(zhuǎn)方向與其所在位置有關(guān)，相鄰旋翼的電機轉(zhuǎn)動方向是相反的，反之運行方向相反。這樣能夠保證電動機之間產(chǎn)生的作用了相互抵消，保證四旋翼飛行器自身的穩(wěn)定性。對四旋翼飛行器我們分別沿著X、Y、Z軸對其建立坐標系，每個坐標軸上有兩個自由度，因此四旋翼飛行器具有六種基本飛行動作。

2．1電動機及其驅(qū)動電路

當前四旋翼飛行器采用的控制電機的方案多種多樣，但是流行較為廣泛的卻不多。本文中對各種電動機的優(yōu)缺點進行綜合考慮，選擇小型的空心杯電動機作為四旋翼飛行器的主電動機。空心杯電機在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，運用無心轉(zhuǎn)子技術(shù)具有十分突出的輕便和節(jié)能的特性，因此空心杯電動機非常適合用于微型小型的四軸飛行器。同時也具有一些不利于飛行器設(shè)計的因素，比如該電機相對于傳統(tǒng)電機來說具有較差的承重能力，不能為飛行器提供較大的升力，在設(shè)計飛行器的同時需要考慮到機身的重力問題。

2．2主控制器及其傳感器的選用

四旋翼飛行器的主控制器在飛行器運行時需要實時處理各種傳感器送達的檢測數(shù)據(jù)，工作量非常大，對芯片的要求較高。同時需要對飛行器電機性能、電池電量以及主芯片的處理能力等因素進行綜合考慮。由于選用的空心杯電機能夠承受的負載能力較小，需要考慮主控制器的體積以及重量，因此選用AT32UC3A1512作為四旋翼飛行器的主控制器。該控制器運算能力強大，包含豐富的I／O端口和總線的外設(shè)。在對電機進行驅(qū)動時需要比較強的控制信號，所以需要將控制信號的驅(qū)動能力增大。四旋翼飛行器的各種傳感器相當于四旋翼飛行器的左膀右臂，能夠完成主控制器所需要的的各項數(shù)據(jù)。這些傳感器在飛行器運行過程中實時采集飛行器的各項數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破鲝亩{(diào)整飛行姿態(tài)。加速度傳感器主要用來測量四旋翼飛行器的加速度，陀螺儀則用來測量四旋翼飛行器運行時水平方向上的速度。由于文中設(shè)計的是小型四旋翼飛行器，同時還綜合各傳感器芯片的重量以及性能，因此選用LSM303D集成傳感器芯片，它的運行速度以及芯片體積完全可以滿足我們的設(shè)計要求。

3飛行姿態(tài)控制

飛行姿態(tài)控制主要是用戶通過人機交互界面控制端發(fā)送控制指令，通過藍牙將指令傳輸給主控制器，同時結(jié)合LSM303D集成傳感器芯片通過PID控制算法調(diào)整PWM波形實現(xiàn)對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。

3．1上位機軟件設(shè)計

在上位機的設(shè)計中，文中采用QT完成人機交互界面的設(shè)計，并且把該設(shè)計移植到智能手機上。該設(shè)計分為兩層，一層實現(xiàn)用戶與飛行器的簡單連接，顯示相應(yīng)操作按鈕；另外一層實現(xiàn)藍牙通信的建立，完成藍牙連接之后根據(jù)藍牙屬性建立數(shù)據(jù)通道。App將用戶的操作根據(jù)設(shè)定好的協(xié)議轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的控制指令，通過數(shù)據(jù)通道下發(fā)給下位機完成上位機功能。

3．2控制算法實現(xiàn)

下位機軟件主要是對上位機發(fā)出的數(shù)據(jù)進行解析并且結(jié)合LSM303D獲得的參數(shù)通過PID算法對PWM波形進行輸出調(diào)整，使得電機的轉(zhuǎn)速達到所需值。

4結(jié)束語

本文介紹了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框架，描述了四旋翼飛行器主要工作原理。在軟件方面描述了四旋翼飛性系統(tǒng)姿態(tài)控制算法，并且以飛行器的高度為例介紹了整個PID算法的實現(xiàn)，使得四旋翼飛行器運行更加的穩(wěn)定，操作更加簡便。

參考文獻：

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［4］杜修力，何立志，侯偉．基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（(EMD）的小波閾值除噪方法［J］．北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，33（3）：265－272

作者：李振政；紀志堅；孫洪超 單位：青島大學(xué)自動化工程學(xué)院