多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

明志舒+黃鵬+劉志強(qiáng)+李樂蒙+高凱

摘 要：隨著社會(huì)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)代高新科技的發(fā)展得到了前所未有的推進(jìn)，為各行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展提供了良好的保障。近些年來出現(xiàn)的多旋翼無人機(jī)，是一種集合多項(xiàng)現(xiàn)代高新科技的成果，具有定點(diǎn)懸停功能，能夠?qū)崿F(xiàn)在現(xiàn)代軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。本文就四旋翼無人機(jī)為例，探討了多旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機(jī) 飛行控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究 無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）10（b）-0057-02

1 飛行控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)在硬件方面主要分為控制器、傳感器、電源、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和遙控接收等模塊，具體論述如下。

1.1 控制器

我們利用美國德州儀器公司所研發(fā)的TMS320F28335當(dāng)作控制器當(dāng)中的主芯片，可以說它是當(dāng)下功能最為強(qiáng)大的一種芯片，具備對信號(hào)加以處理的功能，而且還有嵌入式控制以及針對事件加以管理的功能。該芯片的外部接口基本原則為：將飛控系統(tǒng)作為基礎(chǔ)而定。該芯片不管是在引腳數(shù)目上，還是在引腳功能方面都非常貼合飛控系統(tǒng)的全部要求，所以說只要針對芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征為：（1）利用到了哈弗總線結(jié)構(gòu)。（2）其代碼安全模塊利用到了128位密碼對Flash加以保護(hù)，保證相關(guān)寄存器在數(shù)據(jù)方面的安全。（3）TMS320F28335的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對開發(fā)時(shí)間大幅度的節(jié)約，這主要是其利用到了目前應(yīng)用比較廣泛的C/C++語言。（4）1K×16 OTP ROM以及8K×16形式的Boot ROM，供給出了兩個(gè)用于采樣的電力，繼而實(shí)現(xiàn)了對兩個(gè)通道上信號(hào)實(shí)施的同步采集，所以有著非常高效的處理能力以及運(yùn)算的精度，確保了信號(hào)所具備的時(shí)效性以及高速性。

1.2 傳感器

1.2.1 陀螺儀

陀螺儀能夠?qū)z測指示器中的數(shù)據(jù)加以顯示，是自動(dòng)控制系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)非常重要的組成。應(yīng)用的陀螺儀是MPU6050三軸形式的陀螺儀，具有16位的模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使輸出模擬量實(shí)現(xiàn)向可輸出數(shù)字量的轉(zhuǎn)化。

1.2.2 加速度傳感器

在多旋翼的飛行控制系統(tǒng)當(dāng)中，加速傳感器應(yīng)該說是一個(gè)非常重要的元器件。這不僅是由于加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)載體的特性校正功能，并且它能夠針對加速度實(shí)施積分，繼而得出載體速度以及位置之類的基本信息。我們所選取的ADI公司研發(fā)的ADXL345傳感器，同時(shí)兼具SPI以及I2C的數(shù)字輸出功能，其分辨率較高，同時(shí)體積也比較小。

1.2.3 GPS模塊

當(dāng)無人機(jī)在天空飛行的時(shí)候定位系統(tǒng)是十分重要的，需要對無人機(jī)所呈現(xiàn)的姿態(tài)加以實(shí)時(shí)的測量，可以說在無人機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，GPS模塊占據(jù)著一定的主導(dǎo)地位。我們選取了U-BLOX公司所研發(fā)和生產(chǎn)的CJMCU-6M當(dāng)作GPS的接收機(jī)，該傳感器具有接口較為方便，而且定位的速度也比較快，不用長時(shí)間等待的特征。其利用串口輸出的形式RS-232數(shù)據(jù)傳輸，繼而結(jié)合協(xié)議而解算無人機(jī)所處的坐標(biāo)、高度和時(shí)間之類的信息。

1.3 電源

電源模塊主要的功能是為飛控系統(tǒng)當(dāng)中的其他模塊供給電量，從而確保飛行順利。電源模塊當(dāng)中主要包含一個(gè)電源接口，以及一個(gè)穩(wěn)壓器，穩(wěn)壓器所具備的功能是對電壓加以轉(zhuǎn)換，避免因?yàn)楦唠妷憾鴮?dǎo)致電路板和一些其他元器件的損壞。本文中選擇系統(tǒng)穩(wěn)壓器的標(biāo)準(zhǔn)為5V輸入，主控板的供電輸出是3.3V，而最大的輸出電流是500mA。

1.4 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)

多旋翼無人機(jī)的飛行系統(tǒng)想要達(dá)成自主懸停功能，這就需要飛行器必須要在飛行不穩(wěn)的情況之下能夠迅速地改變成為平穩(wěn)的狀態(tài)，也就是在這種情況之下，執(zhí)行機(jī)構(gòu)要在非常短的時(shí)間之內(nèi)做出相應(yīng)的反應(yīng)，讓無人機(jī)所呈現(xiàn)的速度能夠高速地提升或降低。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)當(dāng)中采用直流無刷電機(jī)當(dāng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，繼而配合無刷電調(diào)來應(yīng)用，這個(gè)電機(jī)具備周期較長，而且效率較高等特征。電機(jī)是一種十分關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是對飛行器的姿態(tài)加以控制的動(dòng)力。而我們所選擇的直流無刷電機(jī)是想讓四旋翼形式的飛行器形成多種飛行的姿態(tài)，工作的主要原理為對空氣動(dòng)力學(xué)的利用，從而使旋翼形成多種轉(zhuǎn)速，繼而達(dá)到想要的效果，完成各種飛行姿態(tài)。直流無刷的電機(jī)所接收到的控制信號(hào)是PWM波所發(fā)出的。而結(jié)合DSP所發(fā)出的具有不同占空比的信號(hào)，電機(jī)就能夠做出相應(yīng)的改變，繼而形成各種轉(zhuǎn)速，讓無人機(jī)能夠在空中顯現(xiàn)出各種飛行的姿態(tài)。

1.5 遙控接收

我們所選擇的接收機(jī)是我國天地飛公司所產(chǎn)出的WFLY型七通道的接收機(jī)，對遙控器發(fā)射的信號(hào)加以接收，在無人機(jī)的操作人員實(shí)施操控的過程當(dāng)中，遙控器將會(huì)利用內(nèi)部解算編碼之類的過程把信號(hào)轉(zhuǎn)變成為可以接收并識(shí)別的PPM信號(hào)，而接收機(jī)在對PPM信號(hào)加以識(shí)別之后，再利用譯碼電路把它轉(zhuǎn)化成PWM信號(hào)，最后再傳輸給信號(hào)轉(zhuǎn)換的模塊。而信號(hào)轉(zhuǎn)換的模塊是把五個(gè)通道的信號(hào)轉(zhuǎn)化成四路高速電子的調(diào)速器接收PWM信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊所對應(yīng)的輸出跟電子調(diào)速器之間是相互連接的，它所輸出的也是PWM信號(hào)。而電子調(diào)速器是跟四個(gè)電機(jī)加以直接連接的，對電機(jī)所呈現(xiàn)的供電電壓加以控制，繼而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，讓無人機(jī)能夠形成各種各樣的飛行姿態(tài)。

2 飛行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程總體圖

本文所設(shè)計(jì)的多旋翼無人機(jī)軟件流程，其串口的初始化在系統(tǒng)的初始化當(dāng)中實(shí)現(xiàn)。一樣在系統(tǒng)的初始化當(dāng)中完成的還有I/O口、系統(tǒng)時(shí)鐘以及系統(tǒng)參數(shù)的初始化。針對多旋翼無人機(jī)所具備的通訊狀態(tài)和飛行姿態(tài)做出的檢測主要是利用自動(dòng)檢測的方式。多旋翼無人機(jī)在對各種命令加以執(zhí)行的進(jìn)程也就是我們常說的對姿態(tài)的控制，其所包含的內(nèi)容有：俯仰、偏航以及翻轉(zhuǎn)。要是無人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)檢測，系統(tǒng)將會(huì)跳轉(zhuǎn)到等待指令狀態(tài)之中，而要是沒有收到命令，其中的軟件部分就將會(huì)對相關(guān)的命令加以計(jì)算，繼而為下一步命令的執(zhí)行做良好的準(zhǔn)備。

2.2 以Lab VIEW為基礎(chǔ)的姿態(tài)測量軟件設(shè)計(jì)

四旋翼無人機(jī)的軟件設(shè)計(jì)思想在于結(jié)構(gòu)以及算法，所選擇的編程軟件Lab VIEW當(dāng)作最為重要的編程語言。而在軟件總體設(shè)計(jì)方面，則要實(shí)施一次串口的初始化，繼而將采集的數(shù)據(jù)加以循環(huán)，在這當(dāng)中包含針對數(shù)據(jù)實(shí)施的讀取、判斷以及轉(zhuǎn)換等，最終結(jié)合數(shù)據(jù)對姿態(tài)加以顯示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析

結(jié)合Lab VIEW程序所呈現(xiàn)的流程圖，能夠?qū)崿F(xiàn)四旋翼無人機(jī)所呈現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集，進(jìn)而對將虛擬儀器無人機(jī)姿態(tài)的測量系統(tǒng)加以構(gòu)建。筆者讓一架無人機(jī)呈現(xiàn)出下仰12.3°，繼而俯仰-7.5°，左偏139.18°姿態(tài)，把它固定在轉(zhuǎn)臺(tái)之上，繼而每相隔5°記錄一組3個(gè)姿態(tài)角輸出。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一周之后，得出轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角跟不同姿態(tài)角之間所呈現(xiàn)的關(guān)系曲線。所以，本文設(shè)計(jì)的飛行器大體可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，較為符合飛行器姿態(tài)的測量設(shè)想。

4 結(jié)語

本文從硬件原理和軟件原理的各方面對多旋翼無人機(jī)的飛控系統(tǒng)構(gòu)建過程進(jìn)行了較為詳盡的介紹，通過文章中的討論可以得出結(jié)論，我們設(shè)計(jì)的飛行控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對無人機(jī)飛行姿態(tài)的有效控制，繼而為今后的研究奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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