基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计
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108 doi： 10.16652/j.issn.1004⁃373x.2016.13.026
2016 年 7 月 1 日 第 39 卷第 13 期
现代电子技术 Modern Electronics Technique
Jul. 2016 Vol. 39 No. 13
基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计
符长友 1，蔡洪斌 2，刘
文章编号：1004⁃373X （2016） 13⁃0108⁃04
Design of micro quad⁃rotor aircraft based on IOT
2. School of Computer Science and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China） （1. School of Computer Science，Sichuan University of Science & Engineering，Zigong 643000，China；
图1
基于物联网的微型四旋翼飞行器系统功能图
3 轴加速度计、 3 轴磁力计传感器、 蓝牙无线通信模块、 USB 接口稳压电源、 空心杯电机、 状态显示 LED 灯等组 成， 其系统功能如图 2 所示。
微型四旋翼飞行器由系统主控制器、 3 轴陀螺仪、
图3
STM32F103 电路设计图
图2
微型四旋翼飞行器系统功能图 图4 MPU6050 电路设计图
（专 家） 工作站基金项目 （2014YSGZZ01） ； 企业信 息化与物联网测控技术四川省高校重点实验室 项 目（2013WZY03）； 2015 年 四 川 省 大 学 生 创 新 创业训练计划项目 （201510622004） ； 2015 年 四 川 物联网工程专业课程体系的改革与实践项目
[3⁃5]
1
工作原理
微型四旋翼飞行器有四个交叉， 且在同一高度的旋
翼以相对的两个旋翼为一组进行配置。这两组旋翼以 相反的方向旋转， 通过改变电机的输出功率来改变转子 的转速， 以达到改变升力并产生运动的目的。同步减少 或增加四个旋翼的转速就能产生垂直运动， 即垂直下降 或垂直上升。以相反的方向改变一组旋翼的转速， 就能 使俯仰角改变并同时产生相应的横向运动； 以相反的方 向改变另一组旋翼的转速能使滚动角改变并同时产生 侧向运动； 每组旋翼的反向力矩差产生偏航角转动。通 过改变上述三个角的角度， 就可以控制微型四旋翼飞行
MPU6050 对 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 分 别 用 了 3 个 16 b ADC ， 将其测量的模拟量转化为可输出的数字量 [9]。为 了精确跟踪快速和慢速的运动， 传感器的测量范围均可 由 用 户 控 制 。 陀 螺 仪 可 测 范 围 为 ±250 dps ， ±500 dps ， ±1 000 dps ， ±2 000 dps ， 而 加 速 度 计 可 测 范 围 为 ±2 g ， ±4 g， ±8 g， ±16 g。其电路设计如图 4 所示。
110
现代电子技术
é1 ê1 ΔT = ê ê-1 ë-1 -1 1 1 -1
2016 年第 39 卷
业级设计、 传输距离远、 数据稳定等特点， 支持标准 BT3.0 + EDR 、 标 准 BT4.0 BLE 协 议 、 SPP 协 议 ， 也支持 I C， SPI， UART 通信接口 。其电路设计如图 6 所示。
FU Changyou1，CAI Hongbin2，LIU Hao1，LI Xing1
cle，a micro QRA based on Internet of Things （IOT） was designed by adopting the IOT techniques （such as sensors，Bluetooth
的 ARM@CortexTM_M3 32 ⁃ bit 的 RISC 内 核 ， 其频率为 设。其中， 包含 3 个通用 16 b 定时器、 2 个 12 b ADC 和 1 个 PWM 定 时 器 ， 还包含标准、 先进的通信接口： 1个 和 1 个 USB 接口 ， 其电路设计如图 3 所示。
[8]
PID control algorithm of the micro quad⁃rotor aircraft are described in detail. The practice results show that the ORA based on Keywords：micro quad⁃rotor aircraft；Internet of Things；Bluetooth；quaternion；PID
（1.四川理工学院 计算机学院，四川 自贡 摘
昊 1，李
行1
610054）
643000； 2.电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都
要：针对微型四旋翼飞行器在小型无人机领域中独具的优点， 提出并采用多种传感器、 蓝牙无线通信、 嵌入式微控
制器等物联网技术， 设计出一款基于物联网的微型四旋翼飞行器。详细阐述了其系统架构、 硬件设计以及四元数算法、 PID 控制算法等。实践表明， 基于物联网的微型四旋翼飞行器具有易于控制、 飞行姿态稳定、 转向灵活等优点。 关键词：微型四旋翼飞行器；物联网；蓝牙；四元数；PID 中图分类号：TN967.6⁃34；TP273 文献标识码：A
72 MHz， 内置高速存储器、 增 强 型 I/O 口 和 丰 富 的 外 SPI 接口、 2 个 I2C 接口、 3 个 USART 接口、 1 个 CAN 接口 3.2 陀螺仪与加速度计传感器 陀螺仪与加速度计采用 MPU6050。该芯片集成了
线与外部主控制器进行数据通信。其电路原理如图 5 蓝牙通信模块 蓝牙通信采用 BF4030 无线模块， 其支持蓝牙 4.0 标
Abstract：Since the micro quad⁃rotor aircraft （QRA） has the unique advantage in the field of small unmanned aerial vehi⁃
wireless communication，embedded microcontroller，etc） . The system architecture，hardware design，quaternion algorithm and IOT has the advantages of easy control，stable flight attitude and flexible steering.
6⁃7] 器朝着期望的方向飞行 [1， 。
。
随着多种数字化、 微型化、 高精度的新型传感器的 不断产生， 四旋翼飞行器的性能不断得到发展， 正在朝 着智能化、 微型化、 多功能化等方向发展， 因此微型四旋 翼飞行器是其发展的方向之一 。作为当前最具发展潜
收稿日期： 2015⁃10⁃16
[6]
基金项目： 国 家 863 计 划 项 目 （2015AA016010） ； 四川省院士
3
3.1
硬件设计
系统主控制器 系统主控制器采用 STM32F103， 该芯片采用高性能
3.3
磁力计传感器 磁 力 计 传 感 器 采 用 HMC5883， 该器件是一款表面
贴装的高集成模块， 并带有数字接口的弱磁传感器芯 片。包括最先进的高分辨率磁阻传感器， 并附带霍尼韦 尔专利的集成电路包括自动消磁驱动器、 放大器、 偏差 校准， 能 使 罗 盘 精 度 控 制 在 1°~2° 的 12 b ADC ， 能在 ±8 高斯的磁场中实现 5 毫高斯分辨率 [10]。其采用 I2C 总 所示。 3.4
为 C， 目 标 姿 态 记 为 t， 从当前姿态转到目标姿态的旋 （1）
假定姿态差为小量， 三角函数可以用小角替换。根
据四元数表示姿态的意义， 由式 （2） 可知 x d , y d , z d 为各轴 得到控制油门变化量。由于是 PID 控制器， 式 （4） 中的 力矩系数可以忽略掉。
ìw q = cos ( θ 2 ) ï ïx q = x ω ⋅ sin ( θ 2 ) í ïy q = y ω ⋅ sin ( θ 2 ) ï z = z ⋅ sin ( θ 2 ) î q ω = K P ⋅ z d, n - K d ⋅( z d, n - z d, n - 1) ìz m ï = K P ⋅ y d, n - K d ⋅( y d, n - y d, n - 1) íy m ï x = K P ⋅ x d, n - K d ⋅( x d, n - x d, n - 1) î m
2 [11]
-1 ù 1ú ú ⋅ diag(m x , m y , m z ) ⋅ m -1 ú 1û
（4）
5
5.1
软件设计
程序设计流程图 微型四旋翼飞行器程序设计流程图如图 7 所示。
图5
HMC5883 电路设计图
图 6 蓝牙通信电路设计图
4
飞行姿态控制四元数算法
用欧拉角控制飞行姿态， 每次都要计算 3 次三角函 5.2
0
引
言
力的技术——物联网技术， 与微型四旋翼飞行器有机结 合构成全新的基于物联网的微型四旋翼飞行器， 则是四 旋翼飞行器未来发展的方向与潮流。
四旋翼飞行器易于实现垂直升降和自由悬停， 其机 动性远远优于固定翼机型无人飞行器。并且其质量轻、 体积小、 便于携带， 非常适合在复杂地形与狭小的空间内 使用， 尤其是人不适合或根本不能进入的恶劣环境 [1⁃3]。 同时在军事上还可在近地面执行侦察、 侦测与监视等多 种任务， 目前正受到国内外科研机构的热切关注， 成为 小型无人机领域中的研究重点
static long SumNick=0， SumRoll=0； static long IntegralFehlerNick=0； static long IntegralFehlerRoll=0； delay_ausschalten=0； static unsigned int RcLostTimer； static unsigned int modell_fliegt=0； …… }
飞行控制核心程序 飞行控制核心程序部分代码如下：
void MotorRegler （void） { int motor， pd_erg， h， tmp_int； int GierMischant， GasMischant； //电机数值， PI 计数值 //偏航数值， 油门数值 //俯仰、 滚转积分 //俯仰误差积分 //滚转误差积分 //延迟接通， 延迟关闭 //飞行时间 //俯仰均衡
3 轴 MEMS 陀螺仪、 3 轴 MEMS 加速度计以及 1 个可扩展
的 数 字 运 动 处 理 器（Digital Motion Processor， DMP）。
准协议的双模蓝牙模组， 也支持 BT3.0 Classic 模式以及 BT4.0 BLE 模式。该模块遵循 BT4.0 蓝牙规范， 具有工
2
系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构
基于物联网的微型四旋翼飞行器由微型四旋翼飞
省自贡市科技创新苗子工程项目 （2015CXM07） ；
行器与智能飞行控制系统 （一款安装在智能手机上的管
第 13 期
符长友， 等： 基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计
109
理软件） 构成， 二者之间通过蓝牙 （BlueTooth） 进行数据
通信， 如图 1 所示。智能飞行控制系统把智能手机既作 遥控器， 也作接收器。用户通过操作智能飞行控制系统 来管理、 控制微型四旋翼飞行器的飞行： 垂直上升、 垂直 下降、 向左移动、 向右移动、 向前移动、 向后移动、 空中悬 停、 空中滚转、 紧急停机等， 并且微型四旋翼飞行器的飞 行姿态及相关数据同时也会实时显示在智能飞行控制 系统上。微型四旋翼飞行器通过蓝牙无线方式接收智 能飞行控制系统发来的控制指令控制四个直流电机， 以 实现用户所需的飞行姿态。
图7 微型四旋翼飞行器程序流程图
数， 其运算量大。为了避免计算三角函数， 采用姿态四 元数控制。与欧拉角控制一样， 先求姿态差， 再把姿态 差输入到 PID 控制器来控制油门变化量。当前姿态记 转， 即姿态差， 记为 d， 则有：
c ⊗ d = t ⇔ c-1 ⊗ d = c-1 ⊗ t ⇔ d = c-1 ⊗ t
2016 年 7 月 1 日 第 39 卷第 13 期
现代电子技术 Modern Electronics Technique
Jul. 2016 Vol. 39 No. 13
基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计
符长友 1，蔡洪斌 2，刘
文章编号：1004⁃373X （2016） 13⁃0108⁃04
Design of micro quad⁃rotor aircraft based on IOT
2. School of Computer Science and Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China） （1. School of Computer Science，Sichuan University of Science & Engineering，Zigong 643000，China；
图1
基于物联网的微型四旋翼飞行器系统功能图
3 轴加速度计、 3 轴磁力计传感器、 蓝牙无线通信模块、 USB 接口稳压电源、 空心杯电机、 状态显示 LED 灯等组 成， 其系统功能如图 2 所示。
微型四旋翼飞行器由系统主控制器、 3 轴陀螺仪、
图3
STM32F103 电路设计图
图2
微型四旋翼飞行器系统功能图 图4 MPU6050 电路设计图
（专 家） 工作站基金项目 （2014YSGZZ01） ； 企业信 息化与物联网测控技术四川省高校重点实验室 项 目（2013WZY03）； 2015 年 四 川 省 大 学 生 创 新 创业训练计划项目 （201510622004） ； 2015 年 四 川 物联网工程专业课程体系的改革与实践项目
[3⁃5]
1
工作原理
微型四旋翼飞行器有四个交叉， 且在同一高度的旋
翼以相对的两个旋翼为一组进行配置。这两组旋翼以 相反的方向旋转， 通过改变电机的输出功率来改变转子 的转速， 以达到改变升力并产生运动的目的。同步减少 或增加四个旋翼的转速就能产生垂直运动， 即垂直下降 或垂直上升。以相反的方向改变一组旋翼的转速， 就能 使俯仰角改变并同时产生相应的横向运动； 以相反的方 向改变另一组旋翼的转速能使滚动角改变并同时产生 侧向运动； 每组旋翼的反向力矩差产生偏航角转动。通 过改变上述三个角的角度， 就可以控制微型四旋翼飞行
MPU6050 对 陀 螺 仪 和 加 速 度 计 分 别 用 了 3 个 16 b ADC ， 将其测量的模拟量转化为可输出的数字量 [9]。为 了精确跟踪快速和慢速的运动， 传感器的测量范围均可 由 用 户 控 制 。 陀 螺 仪 可 测 范 围 为 ±250 dps ， ±500 dps ， ±1 000 dps ， ±2 000 dps ， 而 加 速 度 计 可 测 范 围 为 ±2 g ， ±4 g， ±8 g， ±16 g。其电路设计如图 4 所示。
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现代电子技术
é1 ê1 ΔT = ê ê-1 ë-1 -1 1 1 -1
2016 年第 39 卷
业级设计、 传输距离远、 数据稳定等特点， 支持标准 BT3.0 + EDR 、 标 准 BT4.0 BLE 协 议 、 SPP 协 议 ， 也支持 I C， SPI， UART 通信接口 。其电路设计如图 6 所示。
FU Changyou1，CAI Hongbin2，LIU Hao1，LI Xing1
cle，a micro QRA based on Internet of Things （IOT） was designed by adopting the IOT techniques （such as sensors，Bluetooth
的 ARM@CortexTM_M3 32 ⁃ bit 的 RISC 内 核 ， 其频率为 设。其中， 包含 3 个通用 16 b 定时器、 2 个 12 b ADC 和 1 个 PWM 定 时 器 ， 还包含标准、 先进的通信接口： 1个 和 1 个 USB 接口 ， 其电路设计如图 3 所示。
[8]
PID control algorithm of the micro quad⁃rotor aircraft are described in detail. The practice results show that the ORA based on Keywords：micro quad⁃rotor aircraft；Internet of Things；Bluetooth；quaternion；PID
（1.四川理工学院 计算机学院，四川 自贡 摘
昊 1，李
行1
610054）
643000； 2.电子科技大学 计算机科学与工程学院，四川 成都
要：针对微型四旋翼飞行器在小型无人机领域中独具的优点， 提出并采用多种传感器、 蓝牙无线通信、 嵌入式微控
制器等物联网技术， 设计出一款基于物联网的微型四旋翼飞行器。详细阐述了其系统架构、 硬件设计以及四元数算法、 PID 控制算法等。实践表明， 基于物联网的微型四旋翼飞行器具有易于控制、 飞行姿态稳定、 转向灵活等优点。 关键词：微型四旋翼飞行器；物联网；蓝牙；四元数；PID 中图分类号：TN967.6⁃34；TP273 文献标识码：A
72 MHz， 内置高速存储器、 增 强 型 I/O 口 和 丰 富 的 外 SPI 接口、 2 个 I2C 接口、 3 个 USART 接口、 1 个 CAN 接口 3.2 陀螺仪与加速度计传感器 陀螺仪与加速度计采用 MPU6050。该芯片集成了
线与外部主控制器进行数据通信。其电路原理如图 5 蓝牙通信模块 蓝牙通信采用 BF4030 无线模块， 其支持蓝牙 4.0 标
Abstract：Since the micro quad⁃rotor aircraft （QRA） has the unique advantage in the field of small unmanned aerial vehi⁃
wireless communication，embedded microcontroller，etc） . The system architecture，hardware design，quaternion algorithm and IOT has the advantages of easy control，stable flight attitude and flexible steering.
6⁃7] 器朝着期望的方向飞行 [1， 。
。
随着多种数字化、 微型化、 高精度的新型传感器的 不断产生， 四旋翼飞行器的性能不断得到发展， 正在朝 着智能化、 微型化、 多功能化等方向发展， 因此微型四旋 翼飞行器是其发展的方向之一 。作为当前最具发展潜
收稿日期： 2015⁃10⁃16
[6]
基金项目： 国 家 863 计 划 项 目 （2015AA016010） ； 四川省院士
3
3.1
硬件设计
系统主控制器 系统主控制器采用 STM32F103， 该芯片采用高性能
3.3
磁力计传感器 磁 力 计 传 感 器 采 用 HMC5883， 该器件是一款表面
贴装的高集成模块， 并带有数字接口的弱磁传感器芯 片。包括最先进的高分辨率磁阻传感器， 并附带霍尼韦 尔专利的集成电路包括自动消磁驱动器、 放大器、 偏差 校准， 能 使 罗 盘 精 度 控 制 在 1°~2° 的 12 b ADC ， 能在 ±8 高斯的磁场中实现 5 毫高斯分辨率 [10]。其采用 I2C 总 所示。 3.4
为 C， 目 标 姿 态 记 为 t， 从当前姿态转到目标姿态的旋 （1）
假定姿态差为小量， 三角函数可以用小角替换。根
据四元数表示姿态的意义， 由式 （2） 可知 x d , y d , z d 为各轴 得到控制油门变化量。由于是 PID 控制器， 式 （4） 中的 力矩系数可以忽略掉。
ìw q = cos ( θ 2 ) ï ïx q = x ω ⋅ sin ( θ 2 ) í ïy q = y ω ⋅ sin ( θ 2 ) ï z = z ⋅ sin ( θ 2 ) î q ω = K P ⋅ z d, n - K d ⋅( z d, n - z d, n - 1) ìz m ï = K P ⋅ y d, n - K d ⋅( y d, n - y d, n - 1) íy m ï x = K P ⋅ x d, n - K d ⋅( x d, n - x d, n - 1) î m
2 [11]
-1 ù 1ú ú ⋅ diag(m x , m y , m z ) ⋅ m -1 ú 1û
（4）
5
5.1
软件设计
程序设计流程图 微型四旋翼飞行器程序设计流程图如图 7 所示。
图5
HMC5883 电路设计图
图 6 蓝牙通信电路设计图
4
飞行姿态控制四元数算法
用欧拉角控制飞行姿态， 每次都要计算 3 次三角函 5.2
0
引
言
力的技术——物联网技术， 与微型四旋翼飞行器有机结 合构成全新的基于物联网的微型四旋翼飞行器， 则是四 旋翼飞行器未来发展的方向与潮流。
四旋翼飞行器易于实现垂直升降和自由悬停， 其机 动性远远优于固定翼机型无人飞行器。并且其质量轻、 体积小、 便于携带， 非常适合在复杂地形与狭小的空间内 使用， 尤其是人不适合或根本不能进入的恶劣环境 [1⁃3]。 同时在军事上还可在近地面执行侦察、 侦测与监视等多 种任务， 目前正受到国内外科研机构的热切关注， 成为 小型无人机领域中的研究重点
static long SumNick=0， SumRoll=0； static long IntegralFehlerNick=0； static long IntegralFehlerRoll=0； delay_ausschalten=0； static unsigned int RcLostTimer； static unsigned int modell_fliegt=0； …… }
飞行控制核心程序 飞行控制核心程序部分代码如下：
void MotorRegler （void） { int motor， pd_erg， h， tmp_int； int GierMischant， GasMischant； //电机数值， PI 计数值 //偏航数值， 油门数值 //俯仰、 滚转积分 //俯仰误差积分 //滚转误差积分 //延迟接通， 延迟关闭 //飞行时间 //俯仰均衡
3 轴 MEMS 陀螺仪、 3 轴 MEMS 加速度计以及 1 个可扩展
的 数 字 运 动 处 理 器（Digital Motion Processor， DMP）。
准协议的双模蓝牙模组， 也支持 BT3.0 Classic 模式以及 BT4.0 BLE 模式。该模块遵循 BT4.0 蓝牙规范， 具有工
2
系统ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构
基于物联网的微型四旋翼飞行器由微型四旋翼飞
省自贡市科技创新苗子工程项目 （2015CXM07） ；
行器与智能飞行控制系统 （一款安装在智能手机上的管
第 13 期
符长友， 等： 基于物联网的微型四旋翼飞行器的设计
109
理软件） 构成， 二者之间通过蓝牙 （BlueTooth） 进行数据
通信， 如图 1 所示。智能飞行控制系统把智能手机既作 遥控器， 也作接收器。用户通过操作智能飞行控制系统 来管理、 控制微型四旋翼飞行器的飞行： 垂直上升、 垂直 下降、 向左移动、 向右移动、 向前移动、 向后移动、 空中悬 停、 空中滚转、 紧急停机等， 并且微型四旋翼飞行器的飞 行姿态及相关数据同时也会实时显示在智能飞行控制 系统上。微型四旋翼飞行器通过蓝牙无线方式接收智 能飞行控制系统发来的控制指令控制四个直流电机， 以 实现用户所需的飞行姿态。
图7 微型四旋翼飞行器程序流程图
数， 其运算量大。为了避免计算三角函数， 采用姿态四 元数控制。与欧拉角控制一样， 先求姿态差， 再把姿态 差输入到 PID 控制器来控制油门变化量。当前姿态记 转， 即姿态差， 记为 d， 则有：
c ⊗ d = t ⇔ c-1 ⊗ d = c-1 ⊗ t ⇔ d = c-1 ⊗ t