基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件電路設(shè)計

張軼

摘要：四旋翼飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)簡單，姿態(tài)控制復(fù)雜，近年來被廣泛應(yīng)用于民用以及軍事領(lǐng)域。需要通過搭建四旋翼飛行器飛行控制平臺的方式，穩(wěn)定控制無人飛行器的飛行姿態(tài)。基于這一背景，本文嘗試對基于多傳感器裝置的四旋翼飛行器硬件電路設(shè)計問題進(jìn)行分析與探討，在對總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行分析的基礎(chǔ)之上，分別研究電源模塊以及多傳感器模塊的設(shè)計要點(diǎn)，以此種方式整合相關(guān)功能模塊，實現(xiàn)基于多傳感器的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。在此基礎(chǔ)之上，通過仿真實驗證明：在多傳感器四旋翼飛行器硬件電路系統(tǒng)中，可以引入卡爾曼濾波算法融合四旋翼飛行器相關(guān)姿態(tài)參數(shù)，通過多傳感器配置的方式彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件電路方案局限性，促進(jìn)控制精度的提升，這為后續(xù)有關(guān)四旋翼飛行器穩(wěn)定控制問題的研究提供了重要參考與依據(jù)，希望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;多傳感器;硬件電路;設(shè)計

在信號處理技術(shù)、傳感器裝置技術(shù)以及微電子技術(shù)快速發(fā)展的背景下，四旋翼無人飛行器相關(guān)控制算法及其在工程實踐中的應(yīng)用不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，有關(guān)該課題的研究成為業(yè)內(nèi)人士高度關(guān)注的一項課題。新一代四旋翼飛行器系統(tǒng)航點(diǎn)跟蹤完全可靠自主，同時還具備多飛行器協(xié)同飛行的能力。從系統(tǒng)設(shè)計的角度上來說，四旋翼無人飛行器兼具耦合性強(qiáng)、多變量以及非線性的特征，欠驅(qū)動系統(tǒng)控制需要搭載調(diào)節(jié)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式實現(xiàn)，而對無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)需要通過引入無刷電調(diào)系統(tǒng)的方式實現(xiàn)。但在四旋翼無人飛行器實際應(yīng)用中，飛行狀態(tài)下受零漂、溫漂、機(jī)體震動以及外部環(huán)境條件等一系列因素影響，導(dǎo)致飛行高度的維持存在較大難度，位置姿態(tài)估計也面臨著一定挑戰(zhàn)?？紤]到該問題，有研究人員嘗試在的四旋翼的飛行器硬件電路設(shè)計中引入加速度傳感器以及陀螺儀裝置，通過多傳感器配置的方式彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件電路方案局限性，促進(jìn)控制精度的提升。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

四旋翼飛行器旋翼以對稱方式安裝于支架頂端，相鄰位置旋翼呈反向旋轉(zhuǎn)方向，對角線上旋翼程相同旋轉(zhuǎn)方向，以不同旋轉(zhuǎn)方向的配合確保飛行系統(tǒng)在飛行模式下達(dá)到扭矩平衡的狀態(tài)。對于四旋翼飛行器而言，其所對應(yīng)旋轉(zhuǎn)切角呈固定狀態(tài)，六自由度飛行姿態(tài)的控制需要通過調(diào)節(jié)單個電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式實現(xiàn)，而飛行模式下四旋翼飛行器的偏航運(yùn)動則需要通過對順時針旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及逆時針旋轉(zhuǎn)電機(jī)相對速率進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式實現(xiàn)。結(jié)合以上分析，從四旋翼飛行器總體結(jié)構(gòu)的角度上來說，硬件系統(tǒng)以飛控板為核心，同時配置遙控模塊、電源模塊以及動力設(shè)備模塊。有關(guān)研究人員給出了搭載核心芯片的多傳感器四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。整個四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)采用鋰電池供電，無刷電調(diào)系統(tǒng)以及飛控板依托于I?C總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)。同時，通過PPM解碼板實現(xiàn)2.4MHz控制信號在飛控板中的數(shù)據(jù)傳輸。在此基礎(chǔ)之上，以多傳感器配置為依托，四旋翼飛行器飛行模式下的高度檢測可依托于大氣壓力傳感器裝置實現(xiàn)，加速度計與陀螺儀配合應(yīng)用則可實現(xiàn)對四旋翼飛行器飛行模式下的姿態(tài)解算。

2 電源模塊

基于多傳感器裝置的四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)供電功能通過鋰電池實現(xiàn)，持續(xù)放電倍率為30C，對應(yīng)工作參數(shù)為11.1V，2200MAh，通過設(shè)計穩(wěn)壓電路的方式面向四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)中不同電路提供供電支持，保證各個模塊工作狀態(tài)的正常與穩(wěn)定。為確保四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，控制系統(tǒng)需要5.0V以及3.0V兩種電平供電。在硬件電路電源模塊實際運(yùn)行的過程當(dāng)中，鋰電池面向四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)提供11.1V單位電壓，在經(jīng)7805穩(wěn)壓芯片處理后轉(zhuǎn)換為5.0V電壓，其中一部分直接面向飛控板提供電能支持，另一部分則向預(yù)留外部接口提供電壓支持。7805穩(wěn)壓芯片對鋰電池提供電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所輸出5.0V電壓繼續(xù)經(jīng)穩(wěn)壓芯片處理，轉(zhuǎn)換至3.0V電壓輸出，此環(huán)節(jié)中對穩(wěn)壓芯片的選型為MCP1700T，所輸出轉(zhuǎn)換3.0V電壓其咋哄一部分直接面向四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)數(shù)字電路提供電能支持，另一部分則面向模擬電路提供電能支持。除此以外，在四旋翼飛行器電源模塊中，為最大限度預(yù)防電壓抖動以及濾波因素對電壓供給及其轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響，選擇330uF/25V電解電容器裝置、貼片電容器裝置、以及10uF/16V電容器裝置并聯(lián)使用的設(shè)計方案。

3 多傳感器控制模塊

在四旋翼飛行器飛行模式下，為通過硬件電路控制系統(tǒng)實現(xiàn)對其飛行姿態(tài)的靈活控制，就需要將多個類型的傳感器裝置加入控制系統(tǒng)中，如通過陀螺儀與加速度傳感器裝置相配合的方式，支持對四旋翼飛行器飛行模式下角速度以及三軸加速度的測量，同時還可依托于大氣壓力傳感器裝置對四旋翼飛行器起始位置氣壓水平以及穩(wěn)定分析高度下氣壓水平進(jìn)行測量，以氣壓差為參考指標(biāo)控制飛行考度，從而支持四旋翼飛行器自主導(dǎo)航功能的實現(xiàn)。

在基于多傳感器裝置的四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計中，選用MPX4250A為大氣壓力傳感器裝置，對于集成傳感器芯片而言，除具備壓阻式壓力傳感器裝置意外，還配置有專門獨(dú)立運(yùn)行的薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)，以此種方式發(fā)揮傳感器裝置相對于四旋翼飛行器的溫度補(bǔ)償作用。正常運(yùn)行狀態(tài)下，四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)大氣壓力傳感器裝置穩(wěn)定測壓區(qū)間為20kPa～250kPa，輸出電壓穩(wěn)定區(qū)間為0.2V～4.9V，工作溫度區(qū)間為-40.0℃～125.0℃。按照該思路所配置電路系統(tǒng)中，可以以壓力大小為依據(jù)，對P1以及P2進(jìn)行控制，支持結(jié)合四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)實際運(yùn)行狀態(tài)，對P1以及P2放大倍數(shù)進(jìn)行合理選取，以促進(jìn)采樣精度水平的提升。

在加速度傳感器裝置的選取方面，考慮四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計對加速度傳感器裝置有功耗水平低、精度高以及性能高等方面的要求，因此選取LIS344ALH裝置實現(xiàn)，該裝置可通過模擬輸出的方式面向外部電路直接提供測量信號作為支持，檢測量程為±2.0g～±0.4g，工作電壓取值區(qū)間為2.2V～3.6V。在此過程當(dāng)中，VREF為通過穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為3.0V穩(wěn)定電壓輸出。在整個應(yīng)用電路中，將100uF貼片電容器裝置作為解耦電容裝置應(yīng)用。同時，將1.0uF濾波電容應(yīng)用至輸出端，以達(dá)到控制系統(tǒng)運(yùn)行噪聲的目的。

還需要特別注意的一點(diǎn)是，在整個四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)運(yùn)行過程當(dāng)中，單純依賴于加速度傳感器裝置無法實現(xiàn)對震動誤差的可靠補(bǔ)償，因此需要將機(jī)械性能作為陀螺儀裝置選型中非常重要的一項考量因素。本方案中選擇ADXRS610陀螺儀傳感器，該裝置可以搭載單芯片實現(xiàn)完整單軸角速度響應(yīng)。陀螺儀分別安裝于與四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)組歐標(biāo)西垂直的坐標(biāo)系統(tǒng)，支持三軸軸角速度測量。

4 實驗仿真

對于四旋翼飛行器而言，在姿態(tài)解算的過程當(dāng)中，需要借助于陀螺儀傳感器裝置對角速度進(jìn)行直接測量。此過程中需要注意的一點(diǎn)是，在積分得到角度的過程當(dāng)中，伴隨時間的不斷延長，會導(dǎo)致累計積分誤差的產(chǎn)生。積分誤差產(chǎn)生的原因是多方面因素共同作用的，一方面是受時間的影響，另一方面則是受四旋翼飛行器自身機(jī)械特性的影響，導(dǎo)致零漂、溫漂問題的產(chǎn)生。將加速度傳感器裝置融入陀螺儀傳感器裝置的使用過程當(dāng)中，可以以加速度傳感器裝置為依托，面向陀螺儀傳感器裝置提供絕對參考系支持，同時實現(xiàn)加速度傳感器裝置自身良好靜態(tài)性能與陀螺儀傳感器裝置良好動態(tài)性能的融合，對外部環(huán)境條件相對于四旋翼飛行器飛行狀態(tài)的干擾進(jìn)行有效抑制，在此基礎(chǔ)之上引入卡爾曼濾波算法處理，對降低數(shù)據(jù)噪聲起到了非常重要的幫助。通過對四旋翼飛行器正常飛行狀態(tài)下，加速度傳感器裝置采樣數(shù)據(jù)與經(jīng)卡爾曼濾波處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)噪聲信號呈現(xiàn)出非常顯著的下降趨勢，但仍然有一定擾動因素存在。同時，在四旋翼飛行器正常飛行狀態(tài)下，陀螺儀傳感器裝置對角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集過程中存在較為明顯的零漂以及溫漂現(xiàn)象。在零漂為0.05°且靜態(tài)輸出電壓取值為2.63V的情況下，經(jīng)卡爾曼濾波處理后波形圖顯示積分?jǐn)?shù)據(jù)呈現(xiàn)出相對平滑的收斂趨勢，一方面有效補(bǔ)償了零漂現(xiàn)象，另一方面還對累積誤差進(jìn)行了有效控制，對溫漂產(chǎn)生了非常理想的抑制效果，因此證實在四旋翼飛行器的硬件電路設(shè)計過程中，可以通過多傳感器配置的方式彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件電路方案局限性，促進(jìn)控制精度的提升，這為后續(xù)有關(guān)四旋翼飛行器穩(wěn)定控制問題的研究提供了重要參考與依據(jù)。

5 結(jié)束語

本文上述相關(guān)分析中基于對四旋翼飛行器飛行原理的初步分析，整合包括電源、多傳感器在內(nèi)的相關(guān)功能模塊，通過對相關(guān)傳感器裝置的合理選型，支持四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計工作的順利完成，并搭建適用于四旋翼飛行器的飛行試驗平臺，通過多次飛行試驗驗證了硬件系統(tǒng)的可行性以及可靠性，符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。同時，在陀螺儀傳感器裝置與加速度傳感器裝置配合使用期間，基于卡爾曼濾波算法合理處理相關(guān)參數(shù)，通過多傳感器配置的方式彌補(bǔ)傳統(tǒng)硬件電路方案局限性，促進(jìn)控制精度的提升，仿真結(jié)果同樣對該方法的有效性做出了可靠驗證。

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