小型四轴飞行器运动学分析及控制系统设计_刘骁
1.四轴飞行器简介
四轴飞行器为多轴飞行器的一种，是近些年来新兴的热点之一。其机翼固定在机架的四个角，按照机架的形状可以分为十字型和X字型。
相对于固定翼飞行器，多轴飞行器具有空中动作灵活，反应迅速，可悬停等特点。
目前四轴飞行器的设计与控制正在日渐成熟，更多的人正在致力于四轴飞行器的小型化设计制作。
2.小型四轴飞行器动力学分析
小型四轴飞行器控制的基础是对其进行运动学建模。四轴飞行器的按照结构可以分为X型与十字型两类，本文的论述仅针对十字型。
四只旋翼分为顺时针与逆时针两组，位于同一杆上的两只旋翼为同组旋翼。通过调整四只旋翼的旋转速度，为飞行器提供不同的力，从而实现飞行器的控制。比如，四只旋翼转速相同时可以实现飞行器的悬停动作；等量增大或减小四只旋翼的转速时，可以实现飞行器的上升或下降动作；增大某一旋翼的转速的同时减小同组旋翼的转速，可以实现俯仰动作；增大某一组旋翼转速的同时减小另外一组旋翼的转速，则可产生偏航动作。
运动学模型为简化后的模型，假设飞行器平行于水平面。定义笛卡尔坐标系B为物体坐标系，其坐标轴分别为x，y，z轴。定义笛卡尔坐标系E为大地坐标系，其坐标轴分别为X，Y，Z轴。
设绕x，y，z轴旋转X，Y，Z得到的欧拉角矩阵Θ=[φθψ]T，进行整理后可得各坐标轴的变换矩阵Rx，Ry，Rz。
则物体坐标系到大地坐标系的变换矩阵为：R=R z·R y·R x
由于多旋翼产生的力与力矩之间存在较大耦合性，故本文按照理想条件下，及飞行器保持水平状态进行力学分析。设推力T为四旋翼的升力总和，则飞行器受力FB为FB=[00T]
K为空气阻力系数，低速情况下可忽略不计。
3.控制系统方案分析
四轴飞行器分为遥控装置与飞行器部分。
遥控装置为遥控器与无线信号收发模块两个部分。遥控器提供操作界面，在检测到操作人员的控制指令后，遥控器对信号进行编码并发送至飞行器端。无线信号收发模块仅提供无线信号收发以及无线转其他接口的功能，从而使操作人员可以其他终端的上位机软件控制飞行器以及监测飞行器状态。
飞行器控制部分的功能包括：主控单元、飞行器位姿检测单元、电机及其驱动、无线信号收发、电源。飞行器位姿检测单元的精度直接影响飞行器的飞行状态，故下文将对该单元进行详细介绍。
位姿检测单元由三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪以及数据处理芯片组成。该单元固连于飞行器的中心，跟随飞行器运动，从而实现实时准确地采集飞行器的姿态、飞行速度、航向等数据。若控制器的主控芯片性能较好，则可以数据处理部分可由主控芯片完成；若主控芯片功能不是足够强大，则此处应保留数据处理芯片。
陀螺仪的作用是检测飞行器的x、y、z三个轴的角速度。常见陀螺仪可以分为机械式陀螺仪、声学陀螺仪、光学陀螺仪和微机电系统陀螺仪。根据四轴飞行器的需求，选择微机电系统陀螺仪，该类型陀螺仪具有体积小、成本低、使用方便等特点。加速度传感器的功能是测量重力加速度在飞行器x、y、z三个方向上的分量。在较成熟的控制系统设计方案中，通过位姿解算算法进行数据融合，校正陀螺仪的偏差，得到准确的俯仰角与横滚角。
综合以上因素，选用MPU6050芯片来实现陀螺仪与加速度计的功能。MPU-6050为全球首例整合性6轴运动处理芯片。相较于多组件方案，可以有效避免组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，同时能够进一步节省空间。MPU-6050内置3轴陀螺仪、3轴加速器，并可以通过第二个I2C端口连接其他传感器，然后通过主I2C端口以单一数据流的形式，向控制器输出9轴信号。
数字罗盘的的作用是根据测量得到的地磁场在飞行器三个轴向上的分量，计算当前飞行器的航向，通过后面的数据融合算法校正陀螺仪z轴的偏差。本系统选用HMC5883L作为数字罗盘，该芯片内置低噪声AMR传感器及12位AD，测量范围可达±8Gs，数据输出频率可达160Hz，其接口为I2C。
上述两个芯片即为位姿检测单元传感器，主控芯片读取传感器数据进行处理后即可得到实时的位姿信息。
主控制器负责飞行器的姿态解算算法、飞行控制算法的计算以及人机交互程序的运行。
因此，主控芯片应具有较高的运算速度，较高的浮点数运算精度，足够的RAM与Flash空间。同时，考虑到飞行器端为电池供电，且对质量与体积有要求，因此主控芯片的功耗应较低，且封装应尽可能小。综上选取STM32F103C8作为主控芯片。该芯片是Cortex-M3内核的高性能32位ARM处理器，支持Thumb-2指令集，内置向量中断控制器NVIC，是面向嵌入式的一款控制器。该芯片的最高主频为72MHz，具有1.25DMips/MHz的指令执行效率，满足系统对于计算速度与浮点数计算精度的要求。该芯片片内集成了64K的Flash以及20K的RAM存储器，足以存储位姿解算算法、控制算法的代码以及计算过程中产生的大量数据。且该芯片的片内资源很丰富，具有37个独立IO 口，3个独立的UART模块，2个I2C模块，2个12位模数转换器，足够满足控制系统对主控芯片资源的需求。同时该芯片是一款低功耗芯片，最高主频下工作电流仅36mA，其封装为LQFP48，满足飞行器的小体积要求。
4.控制算法介绍
小型四轴飞行器控制算法可分为位姿解算、飞控解算、通讯三部分，其中位姿解算与飞控算法是影响飞行器飞行可靠性的关键因素。
传感器在测得飞行器的瞬时角速度后，通过方向余弦演化公式的计算，即可得到当前时刻飞行器的姿态信息。但是，任何传感器采集电路都会存在误差、噪声、温漂等情况，因此单纯的方向余弦演化公式无法长时间保证位姿数据的准确性，故需要对三个传感器获得的数据进行数据融合处理。常用的方法有卡尔曼滤波以及互补滤波。陀螺仪的响应速度快，但是会受到零点温漂产生的低频干扰；加速度传感器用于测量重力加速的矢量，但是会受到飞行器振动引起的高频干扰；数字罗盘测量地磁矢量，数据测量较准确，但是易受到电磁干扰。由此可知三种传感器信号测量相同的量在频域内特性互补，故可采用互补滤波器进行数据处理。互补滤波器的计算公式为：
Ω=(Ωby+k
p1
ω
1
+k
l1乙ω1dt+k p2ω2+k l2
乙ω2dt)
其中Ω表示校正后的角速度矢量，ω1、ω2为数字罗盘测量的矢量与估算矢量的偏差及加速度传感器测量的重力加速度与估算矢量的偏差。Ωby为陀螺仪测量得到的载体坐标系内的角速度矢量。
位姿解算算法的功能即根据计算得到的公式对传感器输入数据进行处理，并最终得到可用的位姿状态信息。
5.结论
从上文不难看出，小型四轴飞行器的机械结构比较简单，控制电路受限于飞行器的体积与质量要求，也尽量简单化、小型化。同时，随着传感器技术的发展，一些功能可以由传感器直接完（下转第136页）
小型四轴飞行器运动学分析及控制系统设计
刘骁
（东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040）
【摘要】本文首先简单介绍了小型四轴飞行器的运动学模型，然后分析并设计飞行器飞行位姿检测电路，并在最后分析介绍了飞行器的控制算法设计。
【关键词】四轴飞行器；运动学；位姿检测；飞控算法
（上接第120页）成。比如本系统所使用的MPU6050芯片。MPU6050提
供了强大的库函数供用户调用，可以输出欧拉角数据、四元数数据，甚至能够完成数据融合功能。在一些设计中，主控芯片的任务将更多地
集中在飞行控制以及数据传输上。科
【参考文献】
［1］廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计，2012，4．［2］普艾克.数字信号处理，2007，6．
［3］杜勇.数字滤波器的MATLAB与FPGA实现，2012，3．
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1.在焊接技术方面提高电焊工的操作技巧
焊接技术主要应用在机械工业的制造过程中，而如何能使产品制造过程达到既美观又质量过关是需要电焊工人具有过硬的专业素质和技术技巧的。而以其中应用最普遍的汽车制造过程中的液压油箱的电焊操作技巧为例，简单概述一下在焊接技术方面焊接工人应当注意的各方面。
在液压油箱的电焊过程中采用的是手工电焊弧技术。手工电焊弧技术的工作原理十分简单，其利用屯弧的燃烧释放大量的热量，使需要焊接的双方在高温的环境下熔化，从而产生一定的焊缝，随后再利用高温电弧进行手工焊接的过程。这种技术是利用工人手工操作的电弧焊方法，使用直流电和交流电且操作的设备较普遍，总的成本较低；同时在焊接操作的过程中，操作的灵活性较强，无论是在焊接的位置选择上还是厚度形状的差异上，以及不同的焊接钢材选用上都具有较强的适用性。同时操作的熟练度也是考验电焊工的操作技术的重要环节，能否选择高质量的焊条和避免油箱可能产生的缺陷直接影响了焊接的速度和质量。
1.1焊条的选择
焊机分为气保焊和手工电弧焊，后者顾名思义就是用人工完成焊接操作的，因此对焊条的选择上有更高的要求。焊条的外层有一层均匀的遇高温能够分解的药皮，里层的金属芯有严格的元素含量限制，不允许硫、磷等有害杂质的过多掺杂。为了有利于导电，在焊条前端设计了一个便于引弧的大约45度的倒角，同时在焊条的尾端还有一段裸焊芯。在实际的选择焊条的过程中，要严格遵守其分类和选择的规则，根据不同的产品和工业需要选择相应的材料及规格的焊条。
1.2避免油箱的缺陷
焊接的过程其实就是将材料有效地拼接在一起的过程，电焊工人所要做的就是保证其形状和稳定性。拿到材料首先要做的就是将材料定位，这就需要多焊几点将其固定，同时也要防止焊条在焊接过程中不稳定、不成型，把握好电弧的弧长和焊接速度，使各方面配合良好。
在焊接操作的过程中，会由于各种原因使油箱产生一些缺陷及问题。第一个要提到的就是焊接的产品尺寸不符合相关的要求。焊接技术的高低很大程度上体现了电焊工人的水平高低，进行焊接操作时能否把握好运条的稳定性和焊接速度的平稳性并掌握好焊接的角度和弧度是其中的关键。其次就是要避免在焊缝周围咬边的出现，这极大地影响了焊接产品的质量及美观，也很大地考验了电焊工人对电流、电弧的操作水平。第三，避免焊缝内夹渣的出现。焊接时能否选择优质的焊材并掌握熟练的焊接速度是其中的关键。掌握好焊接电流的稳定性还可以保证焊穿油箱，是融化的金属穿破油箱。第四，避免气孔的出现。同样是由于电焊工人没有掌握好焊接时合适的电流、电压、弧长和稳定的焊接速度，才产生了这一系列的问题。只有用磨光机把造成的这些气孔和夹渣磨平，之后再重新进行一次焊接操作才能保证油箱不漏。最后，还要将焊接好的油箱拿去试水以验证其是否合格。
2.从安全操作方面提高电焊工的操作技巧
相对于气保焊，手工电弧焊具有更广泛的应用性，其操作十分简单灵活，但是，在其操作现场存在大量的易燃物品，及其使用的工具包括电焊钳、电焊机等都具有一定的导电性，在焊接操作不当的情况下，电焊工具会产生大量的有毒尘土和有害气体，极有可能发生触电事故，并对人体产生一定的危害。因此，电焊操作过程中，要注重电焊工人安全操作方面的操作技巧，避免由于不正当操作而产生的触电、爆炸、中毒和灼伤等事故。
2.1要对电焊工人进行严格的安全知识培训
让他们了解进行电焊操作时要知道的必要安全知识，对各项安全操作需要的技术要求、设备要求要严格把关。电焊工人要对基本的电焊、电学知识及相关的具体数据有严格的掌握，能够灵活运用，保证自身的安全操作和焊接的高效工作。
2.2电焊工人要对各种焊接工具有明确、具体高度的掌握
其中电焊钳、焊接导线和自护设备是其要掌握的关键工具。电焊工人要对电焊钳有高度的安全使用意识，不仅要了解电焊钳的基本规格种类等知识，还要掌握好安全使用的正确方法，要能保证电焊钳高效、安全的使用，利用其手柄的绝缘性和隔热功能保护人身安全，同时要高度重视其与电缆的安全可靠的连接，处理好过热的电焊钳，预防导电等事故的发生。焊接导线在电焊操作中承担传导电流的重大作用，是电焊操作是否良好完成的关键。对电焊导线的不正当操作极有可能发生安全事故。因此所使用的导线要有良好的导电性、较好的绝缘性和适当的截面积以保证大流量电流的通过。其中电源线不得过长，超过3米时，要将其架高沿墙设置，以减少其危险系数；焊接回路导线也要保持一定长度，超过限制极有可能使导线过热。使用导线时，要注意周围环境，在人多的地方使用时要安装防护设备，并避免与易燃物品的接触，使用外表完好、牢固可靠的导线。自护设备主要包括电焊面罩和护目镜，都是避免或减轻面部被电焊操作时产生的有害物质灼伤的保护措施。戴上自护设备进行电焊可以有效地避免电焊对人身体的伤害。
3.注意事项
在使用前要进行正确的接线工作，首先确定好初级线、次级线的位置，并进行正确的电压输入，然后进行正确的接电操作，避免发生触电事故。移动电焊机时更要注意安全正规使用，不可带着电源移动，要保证电焊机能够在绝缘、不接电的情况下进行移动。同时在户外进行作业时，也要保证电焊机的绝缘操作，要把其安置在干燥通风不导电，
距离易燃易爆物体较远的环境下，以免使其受损，影响工作效率。科
【参考文献】
［1］高忠民，金风柱.电焊工入门于技巧[M].北京金盾出版社，2005（05）.
［2］杨洪贵.焊条电弧焊就业指导书[Z].河北美德钢管制造有限公司，2006（04）.［3］中国机械工程学会焊接学会．焊接手册[M].机械工业出版社，2008（1）.
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电焊工操作技巧探讨
阚云松
（黑龙江技师学院黑龙江鸡西158100）
【摘要】随着社会经济的发展，工业也随之发展起来，而焊接工艺在各类工业原件和产品的制作过程中发挥着举足轻重的作用。要想保证工艺的质量，就不得不在电焊的焊接技术和电焊工的安全操作上下功夫，保证电焊工的各个方面的操作能够过关。而技术过硬、有创新能力又操作娴熟的高素质电焊领域的技术人才是工业企业急需且重视的，因此培养高效率的电焊工人是对相关工业企业竞争力和效益提升的有力武器。本文就电焊工的操作技术和安全操作两方面对电焊工的操作技巧进行详细的研究与探讨。
【关键词】焊接技术；安全操作；注意事项
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