一種基于數據融合的無人機定高飛行控制系統(tǒng)設計

王高峰+吳曉龍+倪策+石鐘磊

摘要：針對小型無人機在執(zhí)行定高飛行時，其高度測量精度易受外界因素影響的問題。本文設計了一套小型無人機機載兩軸云臺，采用MPU6050作為云臺姿態(tài)反饋元件，利用互補濾波算法進行姿態(tài)解算，采用直流無刷電機直接驅動，從而使得超聲波測距模塊在無人機飛行過程中始終保持與地面垂直，消除了由于氣流擾動以及無人機俯仰或橫滾對測量值產生的偏差。

關鍵詞：云臺 超聲波測距 姿態(tài)解算

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0174-01

定高飛行是無人機基本飛行模式之一，許多任務都基于此飛行模式基礎上完成的。傳統(tǒng)方法中超聲波測距模塊垂直固定于無人機底部，無人機在進行俯仰或橫滾運動時，當偏轉角度增加到一定程度，會導致測量值產生偏差，甚至會出現無效值。本文采用機載兩軸云臺設計，使得超聲波測距模塊在無人機飛行過程中始終保持與地面垂直，從而大大提高了其高度測量精度，增強了無人機定高飛行的穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)結構

整個系統(tǒng)由主控制器、超聲波測距模塊、姿態(tài)反饋模塊、執(zhí)行機構四部分組成，系統(tǒng)組成圖如圖1所示。其中主控制器采用的是意法半導體公司的STM32系列芯片；超聲波測距模塊采用超聲波傳感器進行測距，并將其固定于兩軸云臺的正下方并保持其探頭垂直向下，以便對對地高度進行測量；姿態(tài)反饋元件采用的是MPU6050；執(zhí)行元件采用的是L6234電機驅動器和無刷電機組成的執(zhí)行機構，無人機云臺可由俯仰軸控制電機和橫滾軸控制電機分別控制云臺的俯仰和橫滾動作；本系統(tǒng)采用3DR數傳模塊（433MHz）與地面站之間進行數據通信。

2 功能模塊

2.1 超聲波測距

超聲波傳感器發(fā)射端在空氣中發(fā)出速度為的超聲波，當其遇到被測物體時會被反射，并由超聲波傳感器接收端接收。當溫度變化不大時默認聲速基本不變。超聲波測距的原理是測量發(fā)射超聲波和接收到返回超聲波的時間差，并由時間差計算出發(fā)射地點到被測物體之間的實際距離，具體測距公式表示為：

式中為所測距離的長度；為超聲波在空氣中的傳播速度；為發(fā)射超聲波和接收到返回超聲波的時間差的一半。

2.2 姿態(tài)測量與解算

陀螺儀是一種基于角動量守恒理論的角速度傳感器。加速度計是測量運載體線加速度的儀表。MPU6050包含三軸MEMS加速度計、三軸MEMS陀螺和一個可擴展的數字運動處理器DMP。本系統(tǒng)采用MPU6050來測量無人機飛行過程中超聲波傳感器發(fā)射端與地面的夾角。

陀螺儀具有實時反饋角速度精度較高、動態(tài)響應好等優(yōu)點，但通過積分容易產生誤差累積。加速度計用于姿態(tài)估計，不會產生誤差積累，但其動態(tài)響應較慢。利用二者頻率上的互補特性，采用互補濾波算法對二者進行數據融合，可以將各個傳感器得到的數據充分應用。

2.3 云臺控制

當檢測到當前超聲波測距模塊固定框的姿態(tài)角后，可將其與期望姿態(tài)角進行比較，若有擾動力矩的作用使得姿態(tài)角大于預設的角度時，就會通過PID控制器運算輸出PWM信號，利用基于L6234電機驅動器分別驅動俯仰軸和橫滾軸的無刷電機逐步并精確地增加或減小轉子力矩，從而在各電機軸輸出反力矩，以補償外界擾動力矩，使得無人機在俯仰或橫滾狀態(tài)時超聲波測距模塊始終垂直于地面，從而確保超聲波測距模塊獲得精確的高度測量數據。

由于對系統(tǒng)的PID控制參數調整較為繁瑣，必須結束飛行后在地面上才能調整參數，因此選用3DR數傳模塊（433MHz）與地面控制平臺進行遠程通信，從而使得無人機在其飛行過程中可實時調整各軸的控制參數及其定高高度，節(jié)約了調試時間。

3 結語

本文設計了一種含有超聲波測距模塊的小型無人機兩軸云臺，研究了利用互補濾波算法將陀螺儀和加速度計的數據進行融合解算的方法。并采用PID算法來對云臺的姿態(tài)進行控制。使得超聲波測距模塊在無人機飛行過程中始終保持與地面垂直，從而提高了其高度測量精度，增強了無人機定高飛行的穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]苑潔.基于STM32單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計[D].華北電力大學，2012.

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[3]曾偉.基于DSP的四旋翼無人機驅動器的控制研究[D].天津大學，2012.

收稿日期：2016-09-01

作者簡介：倪策（1991—），男，陜西咸陽人，在讀碩士研究生，研究方向：信息與通信工程。