楊濤遠(yuǎn)，張鳳登

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

基于互補(bǔ)融合算法的四旋翼飛行器軟件設(shè)計(jì)

楊濤遠(yuǎn)，張鳳登

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

四旋翼飛行器作為當(dāng)今一種非常流行的飛行器，涉及多學(xué)科交叉技術(shù)以及各個(gè)領(lǐng)域。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，四旋翼飛行器變得更加小型化與智能化，應(yīng)用領(lǐng)域也更廣。通過研究飛行控制原理與姿態(tài)解算，對(duì)四旋翼飛行器進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)。硬件選用STM32F103C8T6作為主控制器，并以MPU6050作為慣性測(cè)量模塊。軟件設(shè)計(jì)中采用互補(bǔ)融合的控制算法估算六自由度飛行姿態(tài)，并采用PID算法進(jìn)行整定和控制。通過這種姿態(tài)融合，可控制飛行器平穩(wěn)起停和飛行，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室調(diào)試效果良好。

四旋翼飛行器；姿態(tài)解算；互補(bǔ)融合

0 引言

隨著MEMS傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，四旋翼飛行器的發(fā)展逐漸趨于微型化和小型化。四旋翼飛行器屬于無人飛行器的一種，由于控制算法不斷優(yōu)化，其電路板設(shè)計(jì)得更加緊湊，在社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。

四旋翼飛行器基本結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，飛行控制系統(tǒng)由槳葉、無刷電機(jī)、機(jī)身軸翼部分組成。本設(shè)計(jì)選擇F450機(jī)架作為設(shè)計(jì)的機(jī)身，安裝在機(jī)體上的無刷直流電機(jī)為四旋翼飛機(jī)提供飛行升力，中心部位也即控制中心安裝了控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊。

如今，四旋翼飛行器得到越來越多公司的關(guān)注，對(duì)四旋翼飛行器的實(shí)用化也得到更多科技領(lǐng)域的支持。雖然目前四旋翼飛行器的研究控制技術(shù)已較為成熟，但還存在許多困難需要解決，如飛行器的電池續(xù)航問題等。作為多領(lǐng)域交叉學(xué)科，對(duì)四旋翼飛行器研究的深入，將不斷推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的研究。

1 研究現(xiàn)狀與內(nèi)容

1.1 研究現(xiàn)狀

近年來，四旋翼飛行器的開發(fā)在高速微處理器的發(fā)展下獲得了重大突破。由于四旋翼飛行器極為廣闊的應(yīng)用前景，諸多開發(fā)者對(duì)其進(jìn)行了研究，以下介紹國內(nèi)外幾款較為成熟的四旋翼飛行器產(chǎn)品：

(1)AR Drone四旋翼飛行器。2010年，法國Parrot公司推出了一款微型四旋翼玩具AR Drone。作為一個(gè)科技含量較高的產(chǎn)品，它表現(xiàn)出的性能十分優(yōu)異。此款飛行器操作簡(jiǎn)單，且其飛行控制系統(tǒng)中包含超聲波測(cè)距傳感器和攝像頭，結(jié)合高性能微處理器進(jìn)行姿態(tài)解算和飛行控制，穩(wěn)定性較強(qiáng)。此款飛行器的流行使普通群眾廣泛接觸到了新型四旋翼飛行器。

(2)賓夕法尼亞大學(xué)四旋翼飛行器。2012年，賓夕法尼亞大學(xué)的VijayKumar教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)制作四旋翼飛機(jī)，掀起了四旋翼飛行器的研究熱潮。在大會(huì)上，VijayKumar教授用大量公式簡(jiǎn)單推演了關(guān)于四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。在演示中，四旋翼飛行器憑借著良好的控制策略完成了多種飛行姿態(tài)，這意味著飛行控制算法的逐漸成熟。

(3)大疆四旋翼飛行器。大疆創(chuàng)新科技有限公司是中國深圳的一家四旋翼飛機(jī)公司，它提供了較為成熟的四旋翼飛行器方案。大疆公司2013年推出的DJI Phantom使四旋翼飛機(jī)市場(chǎng)發(fā)生了巨大變化。其飛控系統(tǒng)不僅包括原來的姿態(tài)解算模塊，而且為了實(shí)現(xiàn)精確定位定高的能力，飛控系統(tǒng)中還加入了圖像處理模塊和全球定位系統(tǒng)模塊。同時(shí)在消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)上，為了滿足用戶需求，這款飛行器更是裝載了自穩(wěn)云臺(tái)便于裝載攝像機(jī)進(jìn)行攝像。

1.2 研究?jī)?nèi)容

本設(shè)計(jì)是制作一個(gè)四旋翼飛行器的模型樣機(jī)，然后根據(jù)樣機(jī)進(jìn)行飛行控制算法的研究。研究?jī)?nèi)容主要分為以下幾部分：①四旋翼飛行器的總體控制方案；②系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：分為姿態(tài)解算部分與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，并運(yùn)用PID控制算法調(diào)節(jié)穩(wěn)定性；③系統(tǒng)調(diào)試。

其中，四旋翼飛行器中的姿態(tài)解算是最重要的組成部分，飛行控制器的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制軟件采用基于STM32的C語言編寫。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是將遙控輸入信號(hào)重新編碼，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，通過控制器使飛機(jī)保持穩(wěn)定的姿態(tài)，最后控制電機(jī)[2]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。遙控信號(hào)輸入后與姿態(tài)解算出來的角度形成差值，然后經(jīng)過PID控制器控制飛行姿態(tài)角，再通過PWM信號(hào)輸出給電機(jī)，控制飛行器的飛行狀態(tài)。

圖1 飛行控制軟件總設(shè)計(jì)

根據(jù)飛行器控制的總體設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)的整體程序流程如圖2所示。程序開始時(shí)，加載系統(tǒng)時(shí)鐘。然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，其中有兩個(gè)初始化非常重要：①M(fèi)PU6050的初始化；②陀螺儀加速度計(jì)的零偏消除。根據(jù)每次采集到的遙控信號(hào)和姿態(tài)解算出來的角度進(jìn)行最后的PID控制。

圖2 總程序流程

2.2 姿態(tài)解算

姿態(tài)解算算法實(shí)現(xiàn)總框圖如圖3所示。本設(shè)計(jì)利用陀螺儀測(cè)量出的角速度值進(jìn)行解算，但是由于角速度在積分過程中會(huì)產(chǎn)生漂移，所以本設(shè)計(jì)需要角速度計(jì)進(jìn)行互補(bǔ)融合，得出實(shí)時(shí)四元數(shù)的值，然后通過實(shí)時(shí)四元數(shù)的值轉(zhuǎn)換成歐拉角的角度值進(jìn)行控制[3-4]。

圖3 互補(bǔ)融合姿態(tài)解算實(shí)現(xiàn)框圖

陀螺儀和加速度計(jì)由MPU6050獲取。MPU6050內(nèi)部集成了3個(gè)16位的ADC，能夠?qū)y(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量輸出，而且該模塊是可編程模塊，可以通過寄存器修改用戶想要的效果。如圖3所示，由于加速度計(jì)和陀螺儀存在零漂，所以每一次啟動(dòng)飛機(jī)后都要去除零漂。在啟動(dòng)前，加速度計(jì)和陀螺儀在穩(wěn)定時(shí)先取2 000次值，針對(duì)這2 000次值求平均值，然后x、y、z軸減去相應(yīng)的平均值，零漂則能被較好地消除。同時(shí)，加速度計(jì)容易受到機(jī)體震動(dòng)影響，所以本設(shè)計(jì)使用加速度計(jì)時(shí)都需要對(duì)其進(jìn)行均值濾波后才能使用。

2.3 電機(jī)控制

對(duì)于四旋翼飛行器的控制器設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)的數(shù)字位置式PID控制器。數(shù)字位置式PID控制器如下[5,6]：

(1)

其中，uk是第k次采樣的輸入，ek是第k次偏差，ek-1是第k-1次偏差，Kp、Ki、Kd是PID控制器的比例、積分和微分參數(shù)。

圖4 串級(jí)PID控制器

圖4中PID采用位置式PID控制器，四旋翼飛行器會(huì)產(chǎn)生不良阻尼效應(yīng)的最重要原因是角速度變化，所以在內(nèi)環(huán)增加對(duì)角速度的增穩(wěn)，會(huì)使四旋翼飛行器的飛行更具穩(wěn)定性[7]。

本次設(shè)計(jì)采用無刷直流電機(jī)。該電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于無電刷和換向器，使得無刷直流電機(jī)的壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的有刷電機(jī)。無刷形式的電機(jī)擁有較強(qiáng)的實(shí)用性，例如交流式鼠籠式異步電機(jī)，這種電機(jī)在早期電子技術(shù)不發(fā)達(dá)時(shí)使用廣泛。但是隨著晶體管的發(fā)展，人們開始越來越多采用晶體管開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電子調(diào)速，最終產(chǎn)生了采用晶體管代替電刷和換向器的無刷直流電機(jī)。

無刷直流電機(jī)具有以下特點(diǎn)：①調(diào)速性能更好，可以代替有刷直流電機(jī)；②沒有電刷和換向器，同時(shí)兼具普通直流電機(jī)的特點(diǎn)；③在重量和體積較小的情況下繼續(xù)保持大負(fù)載能力；④啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，同時(shí)啟動(dòng)電流小，體現(xiàn)了較高的轉(zhuǎn)矩特性；⑤因?yàn)闆]有電刷和換向器，所以沒有勵(lì)磁損耗和碳刷損耗；⑥可靠、穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)。圖5為程序?qū)崿F(xiàn)圖。

圖5 電機(jī)控制流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本設(shè)計(jì)測(cè)試姿態(tài)解算程序，發(fā)現(xiàn)在小機(jī)動(dòng)情況下程序表現(xiàn)完好，但是在大機(jī)動(dòng)情況下，尤其是飛機(jī)側(cè)翻時(shí)程序完全失控。最終進(jìn)行PID調(diào)試，如圖6所示。PID調(diào)試采用單軸分別調(diào)試，將每根軸的歐拉角調(diào)試好，最后實(shí)現(xiàn)飛行。

圖6 飛機(jī)調(diào)試

所以本設(shè)計(jì)將飛機(jī)固定在一根軸上讓其只能在一個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，則實(shí)現(xiàn)了單軸調(diào)試。

本設(shè)計(jì)采用PID試湊法進(jìn)行參數(shù)整定。由于系統(tǒng)是位置式PID算法，所以采用閉合回路法進(jìn)行整定，而且是串級(jí)PID整定法。因此，需先整定內(nèi)環(huán)參數(shù)。

內(nèi)環(huán)是角速度環(huán)，角速度要達(dá)到的效果是保持在一個(gè)角度上穩(wěn)定不震蕩，整定參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)環(huán)PID整定參數(shù)

外環(huán)是速度環(huán)，配合內(nèi)環(huán)可以達(dá)到使整個(gè)過程平穩(wěn)飛行的效果，整定參數(shù)過程如表2所示。

4 結(jié)語

四旋翼飛行器是一種需要高穩(wěn)定控制算法的飛行器，在未來，無論是消費(fèi)級(jí)還是軍用級(jí)都有著良好的應(yīng)用前景。四旋翼飛行器通過特殊的飛行控制算法實(shí)現(xiàn)了不同形式的飛行模式，雖然算法較為復(fù)雜，但在無人機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。本設(shè)計(jì)通過算法設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作初步實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器。設(shè)計(jì)飛行器的過程涉及多學(xué)科交叉技術(shù)，具有較強(qiáng)的理論與實(shí)際意義。本設(shè)計(jì)在過程中作了以下研究：①對(duì)四旋翼飛行器的飛行控制原理進(jìn)行了剖析，初步理解了飛行控制的方式；②對(duì)控制信號(hào)、遙控信號(hào)的原理進(jìn)行分析，在程序中實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的輸入；③本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于姿態(tài)解算，最終完成對(duì)歐拉角的姿態(tài)解算。同時(shí)對(duì)于PID控制算法也有實(shí)際體驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了大量的PID試湊，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行。

表2 外環(huán)PID整定參數(shù)

在設(shè)計(jì)中還存在以下不足之處：①未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建?；?qū)︼w機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)，作為一個(gè)多輸入與多輸出系統(tǒng)，在PID調(diào)試中一味地靠試湊，而未根本地從系統(tǒng)分析出發(fā)，所以在調(diào)試中浪費(fèi)了很多時(shí)間；②由于采用的算法受限，所以飛機(jī)不能進(jìn)行大范圍的機(jī)動(dòng)飛行；③飛機(jī)受擾動(dòng)較強(qiáng)。

此次設(shè)計(jì)之后，對(duì)四旋翼飛行器有了更深認(rèn)識(shí)，對(duì)其未來有以下展望：①飛行器的自主飛行功能更強(qiáng)。隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，四旋翼飛行器將具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；②多功能飛行。未來，四旋翼飛機(jī)能協(xié)助人們做更多事，如載貨、探險(xiǎn)等；③體積微型化。體積越來越小，可從事更多危險(xiǎn)工作。

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(責(zé)任編輯：黃 健)

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(15ZR1429300)

楊濤遠(yuǎn)(1993-)，男，上海人，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)槠囯娮优c現(xiàn)場(chǎng)總線；張鳳登(1963- ),男，上海人，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)槠囯娮优c現(xiàn)場(chǎng)總線。

10.11907/rjdk.162720

TP319

A

1672-7800(2017)003-0086-03