自主巡航的四軸飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

林明寶+余春艷

摘要：慣性導(dǎo)航技術(shù)的飛躍發(fā)展及相關(guān)傳感器在精度方面的提高，使得無人飛行器特別是四軸飛行器獲得快速的發(fā)展。國內(nèi)以深圳大疆創(chuàng)新科技有限公司為代表的無人機(jī)逐漸進(jìn)入尋常百姓家，使得無人機(jī)的運(yùn)用范圍不再僅僅局限于軍事領(lǐng)域。本文將對(duì)一種自主巡航的四軸飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程做出詳細(xì)的說明。該系統(tǒng)以PID算法為核心，利用無線傳輸技術(shù)，將地面站點(diǎn)指定的飛行路線傳送給四軸飛行器，利用GPS實(shí)現(xiàn)飛行器的自主巡航。

關(guān)鍵詞：自主巡航；四軸飛行器；PID；控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）16-0227-04

1概述

四軸飛行器隸屬于多軸飛行器，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，飛行時(shí)穩(wěn)定性易于控制，方便懸停，動(dòng)作靈活等優(yōu)點(diǎn)，而成為飛行器愛好者爭相研究的對(duì)象。由于其體積小，但能產(chǎn)生較大升力，使得其能在較小的空間里執(zhí)行人為需要的任務(wù)，而不易被發(fā)現(xiàn)，因此越來越多地被運(yùn)用到民用和軍事等領(lǐng)域，比如，戰(zhàn)地情報(bào)搜索、震后地勢(shì)拍攝等。

2 飛行原理及基本飛行狀態(tài)

在飛行空間中，飛行器可分別在x軸、y軸、z軸三個(gè)方向做平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，共計(jì)有6個(gè)自由度。通過控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)在這6個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有6種，分別是：垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，旋翼1、3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2、4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。本文中，設(shè)計(jì)旋翼3為四軸頭方向。

下表闡述了四軸的6種基本運(yùn)動(dòng)類型及其對(duì)應(yīng)的原理解析與圖解。

3 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件控制系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)四軸的穩(wěn)定飛行，需要有專門設(shè)計(jì)好的硬件控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)四軸的姿態(tài)矯正，才能完成預(yù)期的飛行效果。圖2是硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理圖。

本系統(tǒng)單片機(jī)采用STM32F103C8T6微控制處理芯片，控制板上焊接有MPU6050六軸運(yùn)動(dòng)處理組件來獲取飛機(jī)在飛行過程中的姿態(tài)信息，無線傳輸技術(shù)將安卓APP指定的飛行路線傳給控制系統(tǒng)，在GPS導(dǎo)航下完成指定路線的飛行。圖3是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)好的主控板正反面。

3.2 飛行器姿態(tài)解算

四軸坐標(biāo)系由地理坐標(biāo)系（E-xyz）和機(jī)身坐標(biāo)系（B-xyz）組成，地理坐標(biāo)系確立四軸的地理位置，機(jī)身坐標(biāo)系確立四軸的姿態(tài)。四軸飛行姿態(tài)有三個(gè)：翻滾角（roll）、俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）確立，分別記為：

姿態(tài)解算是指將四軸的線性加速度和角加速度根據(jù)一定的計(jì)算方式，得到四軸的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。本文采用四元數(shù)算法，得到飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)。Mpu6050內(nèi)嵌入了DMP四元數(shù)解算功能，可免去微控制器的計(jì)算處理時(shí)間。圖4位慣性導(dǎo)航原理圖。

四軸焊接有mpu6050，具有三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀的功能，加速度計(jì)獲取相對(duì)于地面坐標(biāo)系的三軸加速度，陀螺儀獲取相對(duì)于機(jī)身坐標(biāo)系的三軸轉(zhuǎn)速。在姿態(tài)解算中，加速度的作用是對(duì)根據(jù)陀螺儀積分得到的三個(gè)姿態(tài)角進(jìn)行修正，修正的快慢由PID算法中的kp和ki兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制。如圖5，為四元數(shù)操作流程圖。

3.3 飛行器控制算法的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 PID控制器的實(shí)現(xiàn)

PID，為比例、積分、微分的對(duì)應(yīng)英文首字母的簡寫，是現(xiàn)在應(yīng)用的最為廣泛的工業(yè)控制器，最初是模擬PID，通過硬件實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在出現(xiàn)了對(duì)積分和微分進(jìn)行離散化處理后的數(shù)字PID。本文對(duì)數(shù)字PID進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.3.1 四軸姿態(tài)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)

通過mpu6050獲取加速度和角速度，經(jīng)過四元數(shù)解算后，我們便得到了四軸的姿態(tài)信息，通過四軸內(nèi)嵌的GPS模塊，同時(shí)也得到了四軸所處的地理位置信息。在此基礎(chǔ)上，四軸需要能夠以穩(wěn)定的姿態(tài)在所指定的地理路線上飛行，我們引入PID控制系統(tǒng)，以滿足我們的飛行需求。

飛行器姿態(tài)的更動(dòng)，歸根結(jié)底，是更改了四個(gè)電機(jī)的占空比，使得有不同占空比的電機(jī)轉(zhuǎn)速不同。故經(jīng)過PID處理后的輸出將調(diào)控各個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，來使得四軸接近預(yù)期的姿態(tài)。這里簡單闡明PID如何實(shí)現(xiàn)對(duì)翻滾角的控制，如圖7所示。

經(jīng)四元數(shù)處理得到的翻滾角和期望值的偏差經(jīng)過pid控制系統(tǒng)處理后，可控制著四個(gè)電機(jī)不同的占空比（pwm）的輸入，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與占空比的大小成正比，因此翻滾角也由此發(fā)生變化。同理，將翻滾角改成俯仰角、偏航角、飛行位置，同樣可通過控制電機(jī)來改變姿態(tài)和飛行路線。

4 總結(jié)

本文說明了所設(shè)計(jì)的自主巡航的四軸飛行器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，在硬件系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的條件下，本文側(cè)重于軟件算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在無人飛行器快速發(fā)展的今天，消費(fèi)者對(duì)無人機(jī)功能的要求也必然更加苛刻，本文所設(shè)計(jì)的四軸飛行器，實(shí)現(xiàn)了在穩(wěn)定飛行前提下，能夠按指定的路線圖進(jìn)行自主巡航，對(duì)四軸飛行器的進(jìn)一步研究具有一定的意義，也對(duì)四軸的發(fā)展做出了一定的貢獻(xiàn)。

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