四旋翼微型飞行器设计

间隔．∞矿∞，。和棚：。代表载体坐标系下的角速度，可
ｑ０＝ｑ。＋（一ｑｌ∞。。一ｑ２∞抛一吼∞钮）竽 ｑ１＝ｑＩ＋（口０∞，。＋ｑ２∞钟一９３∞ｙ。）譬
－
（８）
ｇ：＝ｑ：＋（ｑ０∞，。一ｑ。∞镭＋ｇ，∞，。）等
９３＝ｑ３＋（ｑ０∞砧＋ｑ１山ｙ日一９２∞；。）！擎
万方数据
第３期
张广玉等：四旋翼微型飞行器设计
馈的ＰＩＤ控制器进行姿态控制，无需建立复杂的控制系统模型．该飞行器最大尺寸１５ ｃｍ，重量２２
ｇ，可垂直起降和悬停，适用于狭小空间的侦察任务．
关键词：四旋翼；微型飞行器；姿态测量；互补滤波器；ＰＩＤ控制器
中图分类号：Ｖ２２１
文献标志码：Ａ
文章编号：１００７—２６８３（２０１２）０３～０１１０—０５
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｑｕａｄ－ｒｏｔｏｒ Ｍｉｃｒｏ Ａｌｒ ＶｅｈｉｃＩｅ
ｓｅｔ ｕｐ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ８ｙｓｔｅｍ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ａ ｔｒｉａｘｉａｌ ｇｙｒｏｓｃ叩ｅ，
ａ ｔｒｉａｘｉａｌ ａｃｃｅｌｅｍｍｅｔｅｒ ａｎｄ ａ ｔｒｉａｘｉａｌ ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ａ ｃｏｍ—
微型飞行器（ｍｉｃｒｏ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ，ＭＡＶ）是２０世纪 ９０年代发展起来的一种新型飞行器．根据美国国防 高级研究计划局（ＤＡＲＰＡ）的定义…，微型飞行器的
基本技术指标包括：飞行器最大尺寸不超过１５ ｃｍ， 重量１０～１００ ｇ，有效载荷１一１８ ｇ，续航时间２０—６０ ｍｉｎ，巡航速度３０～６０ ｋｍ／ｈ，飞行距离１—１０ ｋｍ，能 够自主飞行．按照飞行模式的不同，微型飞行器可分 为：固定翼微型飞行器、旋翼微型飞行器和扑翼微型 飞行器．固定翼微型飞行器飞行距离远，巡航速度
使用欧拉角‘１１‘表示姿态，令沙、口和西代表ｚⅨ
欧拉角，分别称为偏航角、俯仰角和横滚角．载体坐
标系下的加速度（吼。，ｏ…ｏ：。）和参考坐标系下的加 速度（叱。，ｎ。叱。）之间的关系可表示为式（１）．其 中ｃ和ｓ分别代表ｃｏｓ和ｓｉｎ．
ｃ口ｃ沙
ｃｐｓ廿
一ｓ口 蛳
一ｃ咖ｓ砂＋ｓ吊ｓ口ｃ沙 ｓ咖ｓ沙＋ｃ咖ｓ扫ｃ沙
图２四旋翼飞行器动力学模型 四旋翼飞行器产生基本动作的原理为：电机ｌ 和３逆时针旋转驱动两个正桨产生升力，电机２和 ４顺时针旋转驱动两个反桨产生升力．反向旋转的 两组电机和桨使其各自对机身产生的转矩相互抵 消，保证４个电机转速一致时机身不发生转动．电机 １和４转速减小（增大），同时电机２和３转速增大 （减小），产生向前（后）方向的运动．电机１和２转 速减小（增大），同时电机３和４转速增大（减小）， 产生向左（右）方向的运动．４个电机转速同时增大 （减小）产生向上（向下）的运动．对角线的电机一组 转速增大，另一组转速减小产生自身旋转运动．
Ｚ黝ⅣＧ Ｇｕｎ，ｌｇ一弘，加玢ⅣＧ胁愕一ｔｎｏ， Ⅳ助增一ｇｉｕ，删＾Ｂ三流
（ｓｃｈ００ｌ ０ｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃ试ｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｄｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｌｌｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ科，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｌａＩ翟＿ｅ ｆｏｒ ｎｉｇｈｔ ｉｎ ｎａｒｒｏｗ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｒｎｅｎｔ．Ａ ｑｕａｄ·ｍｔｏｒ Ｍｉｃｍ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ ｉ８ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｍｂｌｅｍ．Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｌｌｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ
ｅｔ＝６ ｇ＋ｋｏｅ。一ｅｇ］
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（１Ｕ）
吵。＝砂ｇ＋而（沙。一妒。）
静态时，使用式（３）一（６）计算的欧拉角即可作
ｒ—ｉ————ｉ————ｉ———Ｔ ｇ：２９ｚ／√蕊＋譬ｉ＋呸＋菇
（１２）
，沙＝＾ａ：ｒｃ。ｔａｎ。Ｉ＿胁『仁＿—！—！！丁鱼—±—！了！！—！１、Ｉ１． ‘
川’ ｑ１，ｊ ＝９】 ３ｊ／￣Ｖ／】蠢ｕ ＋ｇ１：‘ ＋ｇ；＋ｇ；
臼＝ａｒｃｓｉｎ（２（ｑ０９２一ｑ１９３））
（９）
咖…ａｎ（慧餮黠）
图４互补滤波器原理示意图
摘要：针对常规无人飞行器尺寸较大，无法适用于室内狭小空间飞行的问题。设计了一种四
旋翼微型飞行器．建立了微型飞行器的动力学模型，介绍了组成飞行器的相关硬件．构建了由三轴
陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成的姿态测量系统，给出了姿态解算的具体步骤．使用了互
补滤波器对陀螺测量误差进行矫正，并给出了互补滤波器融合系数的确定方法．采用基于欧拉角反
对于室内狭小空间的侦查任务，需要微型飞行 器具有垂直起降能力，稳定悬停能力以及灵活的机 动性．多旋翼微型飞行器是实现以上功能的理想选 择．本文设计了一种微型四旋翼飞行器，使用三轴陀 螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成姿态测量系 统，使用四元数算法进行姿态解算，使用互补滤波器 进行数据融合以减小机体振动和陀螺漂移对姿态测 量的影响．该飞行器体积小，重量轻，可垂直起降和 悬停，适用于室内狭小空间的侦查任务．
十字模式
ｘ模式
圈ｌ两种四旋翼飞行器横式示意图
微型飞行器的动力学模型如２图所示．飞行器 载体坐标系Ｂ，原点固连于飞行器的重心，以坐标轴 茗。，ｙ。和钿表示，分别指向飞行器的前（横滚轴）、 右（俯仰轴）和下（偏航轴）方向．选取导航坐标系，ｖ 为参考坐标系…Ｊ，以坐标轴并。，ｙ，和ｚ。表示，分别 指向北、东和当地垂线向下方向．』ｌｆ和Ｆ分别代表 飞行器受到转矩和升力．
１ 飞行器基本工作原理
四旋翼飞行器是一种由固连在刚性十字交叉结 构上的４个电机驱动的一种飞行器．飞行器动作依 靠４个电机的转速差进行控制，其机械结构相对简 单，可由电机直接驱动，无需复杂的传动装置，便于 微型化．四旋翼飞行器按照旋翼布置方式可分为十 字模式和ｘ模式，如图ｌ所示．对于姿态测量和控 制来说，两种方式差别不大．考虑到可能会使用向前 安装的视觉传感器，为了使视线不被遮挡，本设计使 用ｘ模式布置方式．
ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ ｍｉｓｓｉｏｎｓ ｉｎ ｎａ玎ｏｗ ｓｐａｃｅｓ．
Ｋｅｙ ｗ坩ｄｓ：ｑｕａｄ—ｒｏｔｏｒ；Ｍｉｃｒ０ Ａｉｒ Ｖｅｈｉｃｌｅ；ａｔｔｉｔｕｄｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｃｏｍｐ】ｅｍｅｎｔａｒｙ ｆｉｌｔｅｒ；ＰＩＤ ｃｏｎｔｍｌｌｅｒ
Ｏ引 言
ｐｌｅｍｅｎｔａＩ＿ｙ ｆｉｈｅｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｒｒｅｃｔ ｔｈｅ ｅｒｍｒｓ ｏｆ舒ｒｒｏ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｄｅｔｅ册ｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｓｉｏｎ ｃｏｅｌ矗ｃｉｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐＩｅＩｎｅｎｔａｒｙ胁ｅｒ ｉｓ ｇｉｖｅｎ。Ｔｈｅ ａｔｔｉｔｕｄｅ ｅｏｎｔｒｏｌ ｓｙＳｔｅｍ ｉｓ ａ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｅｕｌｅｒ ａｎｇｌｅｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ，
装置：４个Ｎ沟道场效应管ｓ１２３０２Ｄｓ．⑤动作执行装
置：４个直径６咖的空心杯电机，两对直径４５Ⅱ衄正
反桨．⑥供电装置：３．７ Ｖ／１３０ ｍＡｈ锂电池．
阳ｒｃｔｇ（焘）
姿态控制指令卜—－—．１无线模块 主控制器
咖：踟ｔｇｆ坠１
第１７卷
㈤
（４）
姿
态
一一一一～一一一
解 算
载体坐标系下的磁场强度（ｍ训ｍ，。，ｍ：。）和参 考坐标系下的磁场强度（ｍ；。，ｍ。，ｍ：，）之间的关系
场效应管ｌｌ ｌ场效应管２¨场效应管３ｌ｜场效应管 电机１ ｌ ｌ电机２ ｌｌ电机３ Ｉｌ电机４ 图３飞行器系统结构图
（４）可以求得（ｍ引ｍ。，ｍ；。）．再由（６）可以解得初
刚篓臼蒜蕊㈣
３ 姿态解算
要对微型飞行器进行控制，首先要得到飞行器 的当前姿态．姿态解算需要从姿态测量系统得到原 始测量数据．首先获取初始姿态，然后使用四元数算 法进行姿态更新，再将四元数转换为欧拉角，通过互 补滤波器进行姿态矫正，最后将矫正后的欧拉角转 换为四元数并将其规范化，进行下一次的姿态更新． ３．１初始姿态获取
ｗｉｔｈｏｕｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｎｔｍｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔ１１ｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ １５ ｃｅｎｔｉｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ
ｔｈｅ ｗｅｉｇｈｔ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ２２ ｇｒａｍｓ．７Ｉｈｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｉｒ Ｖｅｈｉ‘！ｌｅ ｃａｎ ｐｅＩｆｏ珊ｖｅｎｉｃａｌ ｔａｋｅｏｆｆ，ｌａｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｈｏｖｅｒｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ
２ 系统结构及硬件组成
四旋翼微型飞行器的系统结构如图３所示．三 轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计组成姿态测 量系统，主控制器将姿态测量系统的数据进行解算 得到当前姿态，再与通过无线模块接收的姿态控制 指令一起作为姿态ＰＩＤ控制器的输入，姿态控制器 输出相应的ＰｗＭ信号分别驱动４个场效应管，进 而改变４个电机的转速实现姿态控制．
飞行器相关硬件包括：①主控制器： ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＢｌｌ６，工作频率７２ ＭＨｚ．②姿态测量系 统：双轴陀螺ＩＤＧ６５０和单轴陀螺ＩＳＺ６５０，三轴加速 度计和三轴磁力计组合模块ＬＳＭ３０３ＤＬＨｃ．③无线 通信模块：２．４ Ｇ无线收发模块ｎＲ砣４ＩＪＤｌ．④驱动
万方数据
１１２
哈尔滨理工大’学学报
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一ｓ币ｃ沙＋ｃ咖ｓｐｓ砂 ｃ机ｐ ｒⅧｉｊ业 蛳
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（６）
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２
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ｏ亏。虿。芎＋８享８虿８芎
西 臼廿
西 挣沙
ｑ·＿８言。虿。芎一。言８丁８芎
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口口，，＿＝８ｓ言害。ｃ争矿等芎＋＋８ｓ芎手８ｓ虿号。ｃ等芎’’
收稿日期：２叫１—１２—２８ 基金项目：中国博士后科学基金（２０¨０４９１０３６） 作者简介：张广玉（１９６２一），男，教授，博士生导师，Ｅ－ｍｉｌ：２９ｙｑｘ＠硫．ｅｄｕ．ｃ“；
张洪涛（１９８４一），男，博士研究生．
万方数据
第３期
张广玉等：四旋翼微型飞行器设计
快，续航能力强，比较适合野外区域性侦查等工作． 其典型代表是美国航空环境公司（Ａｅｒ０Ｖｉｍｎｍｅｎｔ） 研制的Ｂｌａｃｋ ｗｉｄｏｗ怛１和洛克希德桑德斯公司 （ＬＤｃｋｈｅｅｄ ｓａｎｄｅｒｓ）研制的Ｍｉｃｒｏｓｔａｒｐ Ｊ．旋翼微型飞 行器具有一个或多个旋翼，能够垂直起降和悬停，适 用于狭小空间（如室内）或复杂近地环境中．典型代 表是洛克尼克公司（Ｌｕｔｒｏｎｉｘ）研制的Ｋｏｌｉｂｒｉ”１和斯 坦福大学研制的Ｍｅｓｉｃｏｐｔｅｒ”Ｊ．扑翼微型飞行器是 一种模仿昆虫或鸟类的新型飞行器，其主要特点是 将举升、悬停和推进功能集成于一体，具有很强的机 动性和灵活性．扑翼微型飞行器控制方式比较复杂， 目前多数机构都处于研究阶段，离实际使用还有一 定的距离．典型代表是加利福尼亚工学院研制的 ＭｉｃｒｏＢａｔ旧１和斯坦福研究中心（ＳＲＩ）研制的Ｍｅｎ． ｔｏｒ¨１．国内也有多家高校开展了微型飞行器的研究 工作，如清华大学，上海交通大学¨Ｊ，哈尔滨理工大 学一Ｊ，华南理工大学¨驯等．
第１７卷第３期 ２０１２年６月
哈尔滨理工大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＲＩＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ０Ｆ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ。１１ＥＣＨＮＯＬｏＧＹ
Ｖ０１．１７ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．２０１２
四旋翼微型飞行器设计
张广玉， 张洪涛， 李隆球， 王 林
（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）
１１３
使用加速度计和磁力计对其进行矫正．首先使用式 （９）将更新后的四元数转换为欧拉角，然后使用互 补滤波器进行矫正，基本原理如图４所示，其公式表 示为式（１０）．其中下标ｇ代表由陀螺得到的欧拉
，厅—Ｔ—丌 再进行更新操作． ９０ ２ｑ。７√ｑ。＋９１＋９２＋ｑ３ ｇ。＝ｇ。／√孬了亓了孺
角，下标ｎ代表由加速度计得到的欧拉角，下标ｅ代 表经互补滤波器矫正后的欧拉角估计值．