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摘要：針對于四旋翼飛行器，利用藍牙實現了對飛行器姿態的簡單控制。四旋翼飛行器選用AT32UC3A1512單片機作為控制芯片，并且利用LSM303D傳感器對飛行器的數據進行實時采集。四旋翼飛行器使用藍牙進行通信，通過PID算法控制飛行器狀態。

關鍵詞：四旋翼飛行器;藍牙

近幾年人工智能和計算機技術飛速發展，智能操作系統已經廣泛滲透到人們的生活當中，比如智能家居、自動駕駛等方面［1－4］。四旋翼飛行器具有6個自由飛行角度，能夠實現升降、懸停、前后、左右等功能，而且具有結構簡單，成本低廉便于維護等優點。

1系統總體設計

四旋翼飛行器的控制系統主要由人機模塊、電機模塊、姿態控制模塊組成。人機交互模塊通過藍牙技術向主控制器發送運行指令，同時各傳感器對飛行器自身狀態以及外部環境等多種參數進行實時檢測，經過主控制器與設定參數相比較并且進行運算處理輸出響應信號，最終通過調整電機轉速實現對四旋翼飛行器的姿態調整。

2控制器軟硬件搭建方案

四旋翼飛行器的四個電動機選用的型號完全相同，并且按照順時針相差九十度的順序依次安裝在飛行支架上。四個電機的旋轉方向一共分為兩種：順時針和逆時針。旋翼的旋轉方向與其所在位置有關，相鄰旋翼的電機轉動方向是相反的，反之運行方向相反。這樣能夠保證電動機之間產生的作用了相互抵消，保證四旋翼飛行器自身的穩定性。對四旋翼飛行器我們分別沿著X、Y、Z軸對其建立坐標系，每個坐標軸上有兩個自由度，因此四旋翼飛行器具有六種基本飛行動作。

2．1電動機及其驅動電路

當前四旋翼飛行器采用的控制電機的方案多種多樣，但是流行較為廣泛的卻不多。本文中對各種電動機的優缺點進行綜合考慮，選擇小型的空心杯電動機作為四旋翼飛行器的主電動機。空心杯電機在結構上與傳統電機的轉子結構不同，運用無心轉子技術具有十分突出的輕便和節能的特性，因此空心杯電動機非常適合用于微型小型的四軸飛行器。同時也具有一些不利于飛行器設計的因素，比如該電機相對于傳統電機來說具有較差的承重能力，不能為飛行器提供較大的升力，在設計飛行器的同時需要考慮到機身的重力問題。

2．2主控制器及其傳感器的選用

四旋翼飛行器的主控制器在飛行器運行時需要實時處理各種傳感器送達的檢測數據，工作量非常大，對芯片的要求較高。同時需要對飛行器電機性能、電池電量以及主芯片的處理能力等因素進行綜合考慮。由于選用的空心杯電機能夠承受的負載能力較小，需要考慮主控制器的體積以及重量，因此選用AT32UC3A1512作為四旋翼飛行器的主控制器。該控制器運算能力強大，包含豐富的I／O端口和總線的外設。在對電機進行驅動時需要比較強的控制信號，所以需要將控制信號的驅動能力增大。四旋翼飛行器的各種傳感器相當于四旋翼飛行器的左膀右臂，能夠完成主控制器所需要的的各項數據。這些傳感器在飛行器運行過程中實時采集飛行器的各項數據，并且將數據傳輸到主控制器從而調整飛行姿態。加速度傳感器主要用來測量四旋翼飛行器的加速度，陀螺儀則用來測量四旋翼飛行器運行時水平方向上的速度。由于文中設計的是小型四旋翼飛行器，同時還綜合各傳感器芯片的重量以及性能，因此選用LSM303D集成傳感器芯片，它的運行速度以及芯片體積完全可以滿足我們的設計要求。

3飛行姿態控制

飛行姿態控制主要是用戶通過人機交互界面控制端發送控制指令，通過藍牙將指令傳輸給主控制器，同時結合LSM303D集成傳感器芯片通過PID控制算法調整PWM波形實現對四旋翼飛行器的姿態控制。

3．1上位機軟件設計

在上位機的設計中，文中采用QT完成人機交互界面的設計，并且把該設計移植到智能手機上。該設計分為兩層，一層實現用戶與飛行器的簡單連接，顯示相應操作按鈕；另外一層實現藍牙通信的建立，完成藍牙連接之后根據藍牙屬性建立數據通道。App將用戶的操作根據設定好的協議轉換成相應的控制指令，通過數據通道下發給下位機完成上位機功能。

3．2控制算法實現

下位機軟件主要是對上位機發出的數據進行解析并且結合LSM303D獲得的參數通過PID算法對PWM波形進行輸出調整，使得電機的轉速達到所需值。

4結束語

本文介紹了四旋翼飛行器控制系統的總體設計框架，描述了四旋翼飛行器主要工作原理。在軟件方面描述了四旋翼飛性系統姿態控制算法，并且以飛行器的高度為例介紹了整個PID算法的實現，使得四旋翼飛行器運行更加的穩定，操作更加簡便。

參考文獻：

［3］譚善文，秦樹人，湯寶平．Hilbert－Huang變換的濾波特性及其應用［J］．重慶大學學報：自然科學版，2004，27（2）：9－12

［4］杜修力，何立志，侯偉．基于經驗模態分解（(EMD）的小波閾值除噪方法［J］．北京工業大學學報，2007，33（3）：265－272

作者：李振政；紀志堅；孫洪超 單位：青島大學自動化工程學院