自主巡航四旋翼無人機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

竇巧玲

摘?要：將四旋翼無人機(jī)用于電力巡檢和航拍巡查等工作中，有利于發(fā)揮設(shè)備的自主巡航功能，提高巡航效率，強(qiáng)化對設(shè)備的自動(dòng)化控制。對于無人機(jī)的電氣控制單元，需合理進(jìn)行硬件方案的設(shè)計(jì)，科學(xué)選擇攝像頭、傳感器、CPU芯片等裝置，同時(shí)采用多種算法完成系統(tǒng)的性能測試與調(diào)試，完善電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：自主巡航;四旋翼無人機(jī);電氣控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言：近年來四旋翼無人機(jī)飛行技術(shù)始終是航空領(lǐng)域的熱點(diǎn)內(nèi)容，該技術(shù)在偵察營救、數(shù)據(jù)采集、地質(zhì)林業(yè)勘探、森林防火以及病蟲害防治中發(fā)揮著舉足輕重的作用。憑借著自主巡航的使用功能，四旋翼無人機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但是具體的控制功能卻存在差異，且巡航方式也有所不同，通過對無人機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，可從中掌握巡航功能的具體情況。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

隨著無人機(jī)技術(shù)在各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無人機(jī)的自主巡航功能獲得人們的廣泛關(guān)注。無人機(jī)系統(tǒng)主要包含地面站與無人機(jī)兩部分，雙方在通信鏈路的作用下保持通信。無人機(jī)能夠?qū)?shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù)傳輸給地面站，同時(shí)地面站會(huì)向無人機(jī)發(fā)送控制指令。自動(dòng)巡航飛行實(shí)際上就是經(jīng)過地面站來設(shè)置航點(diǎn)，再由地面站將各個(gè)航點(diǎn)的信息傳輸給無人機(jī)，無人機(jī)依據(jù)提前設(shè)定的路線完成飛行任務(wù)，將實(shí)時(shí)圖像傳回地面站。當(dāng)前四旋翼無人機(jī)自動(dòng)巡航技術(shù)已經(jīng)成熟的應(yīng)用于電力巡檢、航拍測量以及交通巡查等方面，無人機(jī)能夠代替人工巡航造成的成本浪費(fèi)，節(jié)約時(shí)間的同時(shí)可以提升巡航精確度[1]。

為了提升無人機(jī)對于位置與速度的控制精度，采取相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)方案。圖1為系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)情況，其中OV7620代表的是系統(tǒng)的攝像頭部分，具有較好的巡線功能;MHC58831代表的是磁力計(jì)部分，能夠?qū)o人機(jī)的運(yùn)行方向進(jìn)行自動(dòng)識別，通過方向控制與調(diào)整完成無人機(jī)的自主巡航任務(wù);KS103指的是波傳感器，可以檢測當(dāng)前無人機(jī)的飛行高度，為垂直高度的閉環(huán)式控制提供科學(xué)參考依據(jù);MPU6050指的是傳感器模塊，能夠完成對無人機(jī)自動(dòng)巡航偏差和加速度等數(shù)據(jù)的快速輸出，從中獲取無人機(jī)高度與經(jīng)緯度數(shù)據(jù)偏差值，為接下來的無人機(jī)自主巡航飛行控制奠定基礎(chǔ)。無人機(jī)的主控制器以STM32F405ZGT6芯片作為核心裝置，芯片是32位CPU，在數(shù)據(jù)計(jì)算與處理方面應(yīng)用突出，可對傳感器檢測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，再經(jīng)過數(shù)字濾波與無人機(jī)飛行姿態(tài)的融合處理，主控制器可以輸出PWM信號，以此用于對無刷電機(jī)的有效控制，加強(qiáng)對飛行器姿態(tài)和高度的實(shí)時(shí)調(diào)控，采用閉環(huán)式控制模式實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)巡航。

2.無人機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1四元素姿態(tài)融合算法的應(yīng)用

正常情況下，人們使用的導(dǎo)航系統(tǒng)主要有“地理”和“載體”兩個(gè)坐標(biāo)系，這兩個(gè)坐標(biāo)系可以經(jīng)過四元素完成轉(zhuǎn)化，并對坐標(biāo)系完成標(biāo)定與修正。陀螺儀在積分中容易出現(xiàn)誤差累計(jì)現(xiàn)象，所以四旋翼無人機(jī)在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對俯仰角采取融合算法，比如6軸互補(bǔ)濾波算法，再以加速度修正陀螺儀來調(diào)整俯仰角的估算角度，明確陀螺儀的實(shí)際輸出量，并達(dá)到無人機(jī)飛行姿態(tài)調(diào)整的目的。四元素姿態(tài)融合算法應(yīng)用時(shí)，先經(jīng)過算法的初始化計(jì)算，對加速度計(jì)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，隨后經(jīng)過加速度的誤差計(jì)算與陀螺儀的修正，及時(shí)更新四元數(shù)，完成四元數(shù)的歸一化，根據(jù)無人機(jī)當(dāng)前運(yùn)行的實(shí)際情況計(jì)算姿態(tài)歐拉角，最終即可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的標(biāo)定[2]。

2.2姿態(tài)平衡控制算法的應(yīng)用

分析無人機(jī)在姿態(tài)控制方面的精度問題，采取PID控制算法達(dá)到姿態(tài)控制的目的。該算法應(yīng)用過程中，以主控制變量作為角度，以副被控變量作為角速度，因副回路的作用突出校正效果，將干擾的影響降到最低。采用PID控制算法之后，串級控制系統(tǒng)當(dāng)中，主回路與副回路分別為定值控制系統(tǒng)和隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其中主調(diào)節(jié)器可以按照操作條件和當(dāng)前負(fù)荷的實(shí)際變化，對調(diào)節(jié)器給定值做出有效校正，使無人機(jī)能夠在已經(jīng)給定的目標(biāo)姿態(tài)下做出快速響應(yīng)，使系統(tǒng)的角度控制效果顯著提升。

對無人機(jī)進(jìn)行姿態(tài)平衡測試，先調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)角的速度環(huán)，基于單軸調(diào)節(jié)原理，將PID角速度的內(nèi)環(huán)值設(shè)置為0，對軸進(jìn)行一定程度的擾動(dòng)測試，因角速度環(huán)為0，此時(shí)軸的速度不會(huì)變化，隨著擾動(dòng)的產(chǎn)生，手部能夠感受到反抗力矩，撤除擾動(dòng)影響之后，軸不會(huì)有超調(diào)現(xiàn)象，角度也不會(huì)發(fā)生振蕩。完成了角速度的內(nèi)環(huán)調(diào)試后，還需加各個(gè)軸的角度換，輸入相關(guān)數(shù)值，以較小的油門查看無人機(jī)四軸飛行過程中的穩(wěn)定，根據(jù)具體情況做好參數(shù)的調(diào)整，直到達(dá)到預(yù)期要求。

2.3定高控制算法的應(yīng)用

無人機(jī)飛行期間會(huì)存在高度上的改變，如果不做好無人機(jī)飛行高度的有效控制，無人機(jī)的自主巡航功能將有可能受到影響，甚至無法達(dá)到預(yù)期任務(wù)要求。加強(qiáng)對無人機(jī)定高控制，使用超聲波傳感器，憑借設(shè)備的精度與速度進(jìn)行無人機(jī)當(dāng)前飛行高度的檢測分析，再根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)完成飛行器位置控制。關(guān)于姿態(tài)控制方案的設(shè)計(jì)，使用串級控制克服副回路擾動(dòng)問題，飛行器定高能夠控制高度與速度等參數(shù)，防止飛行器在工作期間出現(xiàn)突變。串級控制模式下，飛行器在垂直方向上的加速度可作為副回路控制量。本方案當(dāng)中共有三個(gè)控制回路串聯(lián)，分別為高度、速度以及加速度控制環(huán)。

2.4巡航控制算法的應(yīng)用

無人機(jī)運(yùn)行期間，電氣控制系統(tǒng)中的巡航控制就是在第一時(shí)間獲得巡航路線，依據(jù)路線發(fā)出控制命令，以此達(dá)到無人機(jī)自主巡航的目的。自主巡航的控制算法類似于上文提到的定高控制算法，采取三環(huán)路串級控制方式，攝像頭可以提供位置環(huán)的控制量，加速度提供相應(yīng)控制量，航線的提取需要將兩個(gè)中心點(diǎn)連接在一起，通過點(diǎn)之間的比較來計(jì)算偏差，再取平均值即可。

總結(jié)：總而言之，具有自主巡航功能的四旋翼無人機(jī)在運(yùn)行過程中，其電氣控制系統(tǒng)以芯片為核心處理器，應(yīng)用帶有光電傳感器的攝像頭獲得引導(dǎo)線信息。使用PID控制算法完成對無人機(jī)高度與方向、姿態(tài)的有效控制，從而達(dá)到自主巡航的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]樊寶安，曾桂根.四旋翼無人機(jī)巡航飛行模式下的自主避障方案設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2020，28（02）：180-184.

[2]袁粵楊，周子寒.無人機(jī)自主巡航與信息目標(biāo)偵測打擊[J].科技風(fēng)，2019（32）：11.785FB949-08A6-471D-8783-37112E228E33