阮旭日 王史春

（臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣信息學(xué)院，浙江 臺州318000）

0 引言

四旋翼飛行器能夠自由懸停和垂直起降，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，這些優(yōu)勢決定了其具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在民用，醫(yī)療，軍事等領(lǐng)域都有著無限的潛力[1]。然而，作為一個MIMO非線性系統(tǒng)，四旋翼飛行器輸入變量與輸出變量之間的耦合作用、時變非線性的動力學(xué)特征、系統(tǒng)本身的不確定性及外部的干擾等的引入，使得系統(tǒng)的控制問題變得十分復(fù)雜。如何能夠設(shè)計出有足夠的飛行動力并且具有良好穩(wěn)定性的控制系統(tǒng)，是四旋翼飛行器如今面臨的主要問題，這也使得強大而又易于控制的發(fā)動機和控制飛行器協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)成為四旋翼飛行器設(shè)計的關(guān)鍵。

1 具體設(shè)計內(nèi)容

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計。通過分析四旋翼飛行器的飛行原理，確定結(jié)構(gòu)模塊化的硬件設(shè)計思路，分別進行系統(tǒng)控制模塊、PWM驅(qū)動模塊、IMU(慣性測量)模塊和遙控器信號捕捉模塊硬件原理的分析和實物電路的設(shè)計[2]。

（2）結(jié)合四旋翼飛行器的硬件結(jié)構(gòu)，進行軟件編程部分的工作。按照四旋翼飛行器的飛行原理和控制特性進行系統(tǒng)飛行控制主程序以及各模塊軟件編程。

（3）對四旋翼飛行器系統(tǒng)的控制方法進行研究，根據(jù)飛行原理進行動力學(xué)建模，并完成系統(tǒng)控制器的設(shè)計。

（4）系統(tǒng)調(diào)試和實驗結(jié)果分析。首先對系統(tǒng)的各個模塊進行相關(guān)調(diào)試和檢測，然后組裝模型，進行四旋翼飛行器實物系統(tǒng)的飛行實驗，驗證理論設(shè)計方案的合理性。

2 硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)硬件部分根據(jù)模塊化思想進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

從上圖可以看出整個系統(tǒng)主要包含的模塊有遙控器信號捕捉模塊、IMU（姿態(tài)測量模塊）、PID控制器模塊[3]、PWM輸出模塊、IIC模塊和USART（無線串口）模塊。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench IDE for ARM[4]，這個環(huán)境具有高度優(yōu)化的IAR AVR C/C++編譯器；一個強大的編輯器；一個工程管理器；一個具有世界先進水平的高級語言調(diào)試器。使用戶在開發(fā)新的項目時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進行。一般基于ARM開發(fā)系統(tǒng)用的開發(fā)環(huán)境有兩個，一個就是IAR，另外一個是MDK，明顯后者在編譯的時候速度很慢，而且調(diào)試環(huán)境前者比后者簡單且容易直觀，所以選擇前者作為開發(fā)環(huán)境。圖2是整個系統(tǒng)的軟件流程。

首先必須對系統(tǒng)的各個硬件模塊進行初始化，初始化完畢以后需要讀出保存在Flash的控制參數(shù)，這些控制參數(shù)都是在上一次試飛過程中調(diào)試完畢并保存在Flash中的，讀取完參數(shù)后把這些參數(shù)賦值給相應(yīng)的運算變量以備之后的PID運算，緊接著依據(jù)捕捉的遙控器2通道的信號上升沿是否大于1700判斷是否需要對電子調(diào)速器進行行程的校準(zhǔn)，接著就是進入姿態(tài)解算模塊對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行更新，再對發(fā)送給上位機的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)進行更新。之后就是判斷系統(tǒng)是否處于解鎖和關(guān)閉狀態(tài)，這些都是出于安全防護的考慮，因為如果對整個系統(tǒng)沒有鎖定這一功能，而操作者在對系統(tǒng)上電的時候系統(tǒng)就處于運行狀態(tài)，假如這個時候遙控器信號不是正常值，很容易出現(xiàn)危險的情況。同理為什么要判斷遙控器是否關(guān)閉，原因是遙控器關(guān)閉的時候信號處于異常狀態(tài)，如果不加這個判斷，即遙控器關(guān)閉狀態(tài)下對系統(tǒng)上電，且解鎖完畢，飛行器會出現(xiàn)異常的工作狀況。接著就是等待控制周期標(biāo)志置位，對控制量進行更新，本系統(tǒng)的控制周期是2.5ms，之所以采用這個控制周期是因為控制電調(diào)的PWM波周期是2.5ms。這里還需要說明一點是程序流程圖里面沒有提到好幾個子模塊的程序，它們分別是遙控器信號捕捉模塊，主要應(yīng)用的是中斷子程序，算法在下面小節(jié)會具體說明；還有控制周期定時子模塊，主要是控制周期一到對標(biāo)志置位；還有數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，應(yīng)用DMA發(fā)送；姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)接收子模塊，通信協(xié)議是IIC；還有上位機數(shù)據(jù)接收子程序，應(yīng)用的是中斷子程序；還有PWM控制量輸出子程序；還有“X”模式四個電機控制量耦合關(guān)系子程序和Flash讀取存儲子程序[5]。

本實驗室的飛行器姿態(tài)角度的檢測由加速度計、陀螺儀、微控制器STM32、電機等組成，通過無線模塊的發(fā)射和接收，跟上位機通信，測試數(shù)據(jù)。為了檢驗設(shè)計的效果，把表1數(shù)據(jù)應(yīng)用于實驗室的飛行器，通過多次飛行試驗，測試數(shù)據(jù)得到結(jié)果見表1所示，穩(wěn)定效果較好。

表1 飛行測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文對實驗室四旋翼飛行器進行建模，通過改進后的遺傳算法優(yōu)化PID參數(shù)，仿真實驗證明達到穩(wěn)定狀態(tài)快，精度高的特點，相比同類文獻有非常明顯的優(yōu)勢，通過查閱其它文獻，一般達到穩(wěn)定時間在1S多，而本算法優(yōu)化的PID參數(shù)，達到穩(wěn)定時間在0.1S左右，提高了10倍。為了驗證仿真的效果，實驗室飛行器通過多次試飛，測試數(shù)據(jù)表明，具有較好的魯棒性和良好的控制效果。證明了本文基于遺傳算法的PID參數(shù)的優(yōu)化是有效的。

［1］Ly Dat Minh.Modeling and control of quadrotor MAV using vision based measurement[J].IEEE Trans.Cricuits Syst,2010,33(4):10-80.

［2］黃溪流.一種四旋翼無人直升機飛行控制器的設(shè)計[D].南京理工大學(xué),2010:12-15.

［3］劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

［4］Abhijzt Das,Kamesh Subbarao,Frank Lewis.Dynamic inversion of quadrotor with zero-dynamics stabilization[C]//IEEE Multi-conference on Systems and Control.2008:1100-1191.

［5］BOUABDALLAH S,SIEGWRT R.Designandcontrolofquadrotorswith application to autonomous flying[D].EPFL,2006.