一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种控制方法，特别是一种适用于四旋翼 飞行器的模块式控制方法，其采用模块化结构设计的控制板，具有通用性高、易维护、参数 可实时调节等特点。
【背景技术】：
[0002] 四旋翼飞行器是一种六自由度垂直起降飞行器，能够完成悬停、低速飞行、垂直起 降和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，也是一种具有四个呈十字形交叉结构螺旋桨 的飞行器，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，与传统意义上的直升机相比，其具有结构和 控制简单、制造精度要求低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势，因而在无人侦察、交通管 理、森林防火、城市巡逻等领域具有广阔应用前景，成为国际上的研究热点。四旋翼飞行器 实现稳定飞行与巡航的前提是通过一定方式调节其飞行参数，并对飞行过程中的飞行器进 行遥控。飞行参数和遥控指令决定了飞行器的飞行平稳度和飞行方向，因此飞行器的遥控 和参数调节方式在飞行器的控制方面格外重要；另外，由于四旋翼飞行器的控制部分由驱 动模块、无线通讯模块以及控制模块等多个负责不同功能的模块构成，因此各个模块之间 连接与拆卸的方便性也较为重要。
[0003] 现有技术中的四旋翼飞行器大都存在以下缺点：
[0004] (1)结构方面:市面上大部分四旋翼飞行器采用了一体式的结构，这种设计虽然方 便量产也符合美观，但是不能满足广大四旋翼专业用户对机体的可模块化拆卸诉求，在遇 到电路上某个模块损坏的情况下，往往需要更换整个控制电路或驱动电路，这对于用户来 说更换的成本太高，而且也造成了不必要的浪费；
[0005] (2)控制芯片方面：市面上绝大多数飞行控制芯片使用的是国外的16位及32位单 片机，成本较高的同时使得国内飞行控制芯片市场长期萎靡。因此本发明设计出一种新型 的适用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，以国产芯片作为控制芯片，通过模块化结构设 计、配备的遥控器和上位机软件进行遥控和参数调节，实现精准的控制。
【发明内容】
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[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种用于四旋翼飞行器的模块 式控制方法，所涉及的模块式控制板不仅打破了国外芯片在飞行控制板市场的垄断地位， 而且易于改装调试方便控制。
[0007] 为了实现上述目的，本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法具体包括 以下步骤：
[0008] (1)电源及稳压电路为控制板各个模块的正常工作提供合适的电源，控制板上电 后初始化各模块并开启中断，此时若接收到校准信号则对陀螺仪进行清零，否则主控模块 接收来自陀螺仪模块的数据并进行滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前四旋翼飞行器 的姿态，应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法（即比例-积分-微分控制），通 过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整以 获得更好的性能;所述PID算法公式如下所示：
[0010] 其中Uk为系统产生的总的控制作用；ek为当前系统偏差的为系统偏差的过去值； ek-ek-i为当前系统偏差与上次系统偏差之差;Kp为比例调节系数，能加快系统的响应速度， 提高系统的调节精度，克服干扰能力较强，控制及时，过渡时间短，但在过渡过程终了时存 在余差;Ki为积分调节系数，反映积分作用的强弱，积分作用会使系统稳定性降低，但在过 渡过程结束时无余差;Kd为微分调节系数，反映微分作用的强弱，能改善系统的动态性能， 微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作 用；
[0011] (2)主控模块根据PID算法输出四路PWM信号通过四个M0S管驱动四个电机工作以 调整四旋翼飞行器姿态，同时陀螺仪模块继续检测当前飞行角度反馈给主控模块以实现四 旋翼飞行器姿态的实时动态调整，无线模块接收来自外部独立配置的遥控器的数据并送入 主控模块中进行处理以执行相应的动作。
[0012] 优选的，本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法是采用模块式控制板 实现的，该模块式控制板主体结构包括主控模块、无线模块、陀螺仪模块、电源及稳压电路、 电机及驱动模块，电源及稳压电路分别与主控模块、无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模 块电连接以提供电源，主控模块分别与无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接，用 于接受并处理来自无线模块和陀螺仪模块的数据信息，无线模块负责传输控制信息，陀螺 仪模块用于检测飞行姿态，电机及驱动模块在主控模块产生的PWM信号控制下为飞行器提 供动力;主控模块与陀螺仪模块之间通过I2C协议进行数据传输通讯，主控模块与无线模块 之间通过SPI协议进行数据传输通讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制。
[0013] 进一步的，所述主控模块为宏晶科技有限公司生产的型号为IAP15W4K58S4的8位 单片机，主要功能是接收来自陀螺仪模块的角度信息并求解出四元数以得出当前姿态，并 根据控制算法产生四路PWM信号控制电机转速以达到调节四旋翼飞行器姿态的目的。所述 无线模块为NRF24L01芯片，该芯片是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHz ISM频段的单 片无线收发器芯片；主要功能是接收来自外部独立配置的遥控器的指令并发送给主控模 块，其与主控模块单片机的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、P1.1、P4.7引脚相接。所述陀螺仪模块为 MPU6050，MPU6050是六轴运动处理传感器，它集成了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计， 其对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC;主要功能是将其测量的模拟量转化为可 输出的数字量，并通过12C接口与主控模块进行通讯，其与主控模块单片机的P0.0和P4.6引 脚相接。所述电源及稳压电路为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路，该电路是先将3.7V 的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后以获得供给各个模块的标准工作电压。所述电机 及驱动模块为高速空心杯电机和M0S管，其采用高速空心杯电机为动力装置，采用M0S管作 为功率管;其与主控模块单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P3.7引脚相接。
[0014] 优选的，所述上位机软件是通过USB接口连接模块式控制板的，其包括飞行姿态显 示和飞行姿态控制两部分，以分别实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数与显示飞行姿态 的功能。
[0015] 本发明与现有技术相比，使用的控制芯片为国产8位单片机，有效降低了成本，采 用模块式的结构设计模式，使得单一模块可拆卸更换从而降低了维修成本，同时也为不同 需求的用户提供了多种选择;控制板上预留有与上位机软件连接的接口，以便于对飞行参 数调整修改和飞行姿态算法的升级；整体方法设计合理，原理科学，自动化程度高，涉及的 控制板结构简单，使用方便，易于操作。
【附图说明】：
[0016] 图1为本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制板中控制电路的结构模块示 意图。
[0017] 图2为本发明中涉及的主控模块的电路结构图。
[0018]图3为本发明涉及的陀螺仪模块的电路结构图。
[0019] 图4为本发明涉及的无线模块的电路结构图。
[0020] 图5为本发明涉及的电源及稳压电路的电路结构图。
[0021] 图6为本发明涉及的电机及驱动模块的电路结构图。
[0022]图7为本发明涉及的飞行姿态显示流程图。
[0023]图8为本发明实施例3中涉及的上位机软件主窗口。
[0024]图9为本发明实施例3中涉及的3D模型控件。
[0025]图10