基于MEMS传感器和嵌入式系统的微型飞行器

基于MEMS传感器和嵌入式系统的微型飞行器

学号：06A11204 姓名：仇云萍

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，介绍了组成微型飞行器的相关硬件，采用嵌入式Linux操作系统，能够实现实时图传，稳定性好，体积小，重量轻。

关键字：嵌入式系统；微型飞行器；实时图传；稳定性

0引言：

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—60min，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。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和坦福大学研制的Mesicopter。

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，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。

1项目原理及系统结构：

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，由电机直接驱动，无需复杂的传动装置，便于微型化。四旋翼稳定性较好，微型摄像头可以进行航拍，在PC端插常用的USB口数据采集卡（模数转换用）就能实现PC与摄像头的透明（不需要再编任何专用通信程序）通信。接着只要在PC 端处理数模转换后的数字数据即实现图像处理。

四旋翼微型飞行器的系统较为明朗，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。

2项目硬件及其特点

○1主控板：Crazyflie

Crazyflie是一个很小的四旋翼经常审阅纳米四，使用PCB本身的框架构建，是自行开发的开源工具和设计发展的大前提。微控制器使用的是STM32F103CB，体积小，重量轻。实现了“微型”这一要求。

○2无线收发模块：Crazyradio

控制四旋翼的PC端应用程序，输入的飞行指令（操纵杆）控制器。目前的

PlayStation 3和Xbox 360控制器支持开箱，但可以配置和使用任何控制器，具有至少4个模拟轴，实现了能够稳定飞行的可能。

○3供电装置：3．7 V／130 mAh锂电池

体积小，重量轻，功率较大，符合要求

○4图传装置：OV7620摄像头

体积小，重量轻，分辨率高，资料全面，符合要求

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。

4飞行器技术指标

四旋翼微型飞行器实物如图所示．整机重量20 g(含电池)，有效载荷5 g，最大尺寸15 cm．前端预留了视觉传感器接口，以便进行视觉辅助导航任务．实验表明，四旋翼微型飞行器飞行时间大于5 min，可垂直起降和悬停，动作灵活，适合狭小空间飞行．

5 结语

设计了一种微型四旋翼飞行器，对其工作原理进行了描述，对构成飞行器的相关硬件及整体参数进行了说明。给出了飞行器姿态解算过程，该微型飞行器体积小，重量轻，结构紧凑，具有垂直起降和自主悬停能力，在有效负载范围内可扩展视觉传感器或其他辅助定位装置，实现避障以及自主导航，适用于狭小空间的侦查任务。

组员：张啸天、陈策、李艺彪

基金项目：东南大学srtp基金会（13062023）

参考文献：

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