基于NI myRIO的四旋翼飞行器设计与实现

侯恭　董明飞　康立鹏　孟瑞锋

摘 要：文章主要研究基于NI myRIO小型四旋翼飞行器的设计与实现，小型四旋翼飞行器拥有灵活小巧且软硬件结构比较简单的特点，并且以NI myRIO芯片为核心。飞行器的设计包括蓝牙通信模块，控制器模块，传感器检测模块，驱动模块、电源模块和电机执行模块。小型四旋翼飞行器采用的是PID控制算法。PID控制算法是自动控制系统的常用基本控制方式。通过PID控制算法调整，可以实现小型四旋翼飞行器的平稳飞行。

关键词：小型四旋翼；无人机；NI myRIO；PID控制

中图分类号：V279+.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）23-0101-02

Abstract： This paper mainly focuses on the design and implementation of NI myRIO small quadro aircraft， which has the characteristics of small flexibility and simple hardware and software structure， and takes NI myRIO chip as the core. The design of the aircraft includes Bluetooth communication module， controller module， sensor detection module， drive module， power module and motor execution module. The small four-rotor aircraft adopts pid control algorithm. Pid control algorithm is the common basic control mode of automatic control system. By adjusting pid control algorithm， the smooth flight of small four-rotor aircraft can be realized.

Keywords： small quadrotor； unmanned aerial vehicle （UAV）； NI myRIO； PID control

1 概述

1.1 研究背景及意义

四旋翼飞行器属于无人机中的一种，由4片螺旋桨构成，4片螺旋桨呈十字形分布。四旋翼飞行器结构较简单，操作较灵活，机动性很强，具有很好的飞行稳定性。所以有非常广阔的应用和开发价值，广泛的应用于空中拍摄，自然火灾以及各行业线路的实时监控与巡查维修中。本文研究小型四旋翼飞行器在NI myRIO控制下，初步实现较稳定的飞行。

1.2 本文主要研究内容

第一部分为绪论，简单介绍四旋翼的背景及研究意义。第二部分简要论述四旋翼的飞行原理。第三部分为小型四旋翼飞行器的硬件的选型。第四部分为结束语，总结本文的不足以及之后的研究与学习的方向。

2 小型四旋翼飞行器飞行原理

飞行原理介绍：

小型四旋翼飞行器的飞行是通过控制器和各传感器对飞机的姿态信息的控制，控制器通过改变电机的转速来控制四旋翼的姿态，从而让四旋翼实现各种飞行动作。

在图1（a）中，相邻的两对螺旋桨转动方向是相反的。当初始时刻4个电机的转速相同，然后电机转速由低到高逐渐升高时，四个电机上对应的四个螺旋桨所产生的上升力也由低到高逐渐变大，当四个螺旋桨向上的升力总和提升到大于四旋翼整体的重量时，四旋翼便开始在竖直方向上垂直上升；反之，如果4个电机的转动速度慢慢下降时，四旋翼便开始在竖直方向上垂直下降。当四个螺旋桨产生的升力之和恰好等于无人机本身的重量时，这时四旋翼便会处于悬停状态。

在图1（b）中，在保持电机2和4的转速不变的同时，增加电机1的转速，降低电机3的转速，这时，螺旋桨1的升力便会随着电机转速的增大而增大，而螺旋桨3升力便会随着电机转速的降低而减小，从而会在机身Y轴上产生一个不平衡力矩，四旋翼飞行器受这个不平衡力矩的影响将绕机身的Y轴旋转；同理如果當电机1转速降低，电机3转速增加时，四旋翼飞行器则绕机身Y轴向另一方向旋转，从而使飞行器实现俯仰姿态控制。

在图1（c）中，在保持电机1和3的转速不变的同时，电机2和4的转速一个变大另一个变小，则会在机身的X轴上产生一个不平衡力矩，则四旋翼飞行器会绕机身的X轴转动，从而使飞行器实现滚动姿态控制。

在图1（d）中，在增加电机1和3的转速的同时，降低电机2和4的转速，此时电机1和3上对应的螺旋桨对机身的反扭矩大于电机2和4上对用的螺旋桨对机身的反扭矩时，便会在四旋翼Z轴上产生一个扭力矩，四旋翼便会在这个扭力矩的作用下绕机身的Z轴旋转，从而使飞行器实现偏航姿态控制[1]。

3 小型四旋翼飞行器硬件的选型

3.1 控制系统的设计

（1）控制模块。本文选用了可重配置I/O技术的嵌入式控制器NI myRIO，它是NI公司针对学生和教学创新应用而推出的一款嵌入式系统开发产品。它有数字输入和输出线四十条，支持PWM、异步收发传输器和IIC，差分模拟输入和对地参考模拟输出各两个，十二个单端模拟输入输出，这使得控制与连接外设及传感器可以非常方便的通过编程来实现。

NI myRIO可重新定制的性能强大，它的核心是一块可重新构建的可编程门阵列作为分布式应用，以及一块667兆赫兹的双核心ARM Cortex-A9可编程处理器。

（2）传感器模块。本文中对四旋翼飞行器飞行的控制，选用了一款9轴惯性导航模块，该9轴惯性导航模块集成了JY901（3轴加速度计、3轴陀螺仪、3轴磁力计）。相比于MPU6050，拥有更低的功耗。飞行控制器通过串口通信方式获取该模块的9轴数据。

（3）驱动模块。本文中选用无刷电机来提供动力，对无刷电机的控制需要加装电子调速器对其进行驱动。本文选用了好盈的一款Skywalker-40A，该电调有电池低压保护、电压输入异常保护、温度保护和油门信号丢失保护。同时，还具有电机启动保护的功能，当电源通电时，无刷电机不会马上转动（不管油门摇杆在什么位置上）。控制器把占空比不同的PWM波输出到电子调速器上，电子调速器根据不同的波而产生不同大小的电流，来控制和改变无刷电机的转速。

（4）执行模块及电源模块。根据本文中所选用的NI myRIO控制器的外形尺寸和重量大小，为了四旋翼拥有足够的负载能力和机械强度，本文中选择了一款碳纤维复合材料的机架，选用了大疆2312/800kV直流无刷电机（重56g）；选用了9450桨螺旋（13g），最大拉力可达800g/轴，满足了整体负载要求。本文的电源选用了2200mAh、11.1V、3S锂电池，为整个系统提供能源。

3.2 控制算法（PID）

在工业设备中，也经常用到PID调节，其微分方程为：

上式中r（t）为给定值，c（t）为实际的输出值。

（1）比例环节（P）：控制系统的输入输出信号成比例的变化，一旦产生偏差，会立即产生一个成比例的信号来减小偏差，比例控制不会去除误差，只能反映出误差[2]。

（2）积分环节（I）：积分项是用来消除系统的稳态误差，从而可以提高控制系统的控制精度，积分的时间常数TI在方程式的分母位置，所以其值越小积分项变化得越快，积分作用越大。

（3）微分环节（D）：主要作用是反映误差的变化速率，并且在误差变得太大之前，预先引入一个修正处理信号，从而加快系统调节速度减少调节时间[2]。

4 结束语

通过本次四旋翼飞行器的研究与设计，学到了很多东西。本文只是粗浅的对小型四旋翼基本结构组成的简单介绍，不够深入。基于结构简单、性能优越、成本低廉和独特的控制方式，四旋翼无人机有着广大的应用价值，目前四旋翼飞行器的发展速度飞快，使得越来越多的人们争相关注与研究。在之后的学习中会在小型无人机自适应控制方面多加学习与研究。

參考文献：

[1]魏丽文.四旋翼飞行器控制系统设计[D].哈尔滨工业大学，2010.

[2]于海生.计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007：101-117.

[3]齐书浩.微型四旋翼飞行器的总体设计及其运动控制[D].上海交通大学，2013.

[4]赵金亮.微型四旋翼飞行器控制方法研究及控制器设计[D].辽宁工业大学.

[5]王伟，马浩，孙长银.四旋翼飞行器姿态控制系统设计[J].科学技术与工程，2013，19（7）：5513-5518.

[6]许云清.四旋翼飞行器飞行控制研究[D].厦门大学，2014.

[7]赵敏.浅谈四旋翼飞行器的技术发展方向[J].科技创新与应用，2016（16）：100.