四旋翼的平衡控制研究

李金鵬 丁玉琳 孫文峰 張心歌

【摘要】：四旋翼無人機由于制造成本低，運動原理簡單，只需通過改變四個電機的轉(zhuǎn)速即可實現(xiàn)運動控制，具有優(yōu)良的操控性和機動性，可以在小區(qū)域范圍內(nèi)起飛，盤旋，著陸。因此我們使用一種以STM32 高性能單片機為核心的飛行控制器，采用模塊化設(shè)計思想，運用經(jīng)典的PID 控制方法，實行其平衡控制。

一、引言：

四旋翼飛行器是一種具有4個螺旋槳的飛行器，4個螺旋槳呈十字交叉結(jié)構(gòu)，對稱分布在機體的前、后、左、右4個方向，并且處于同一高度水平面，4個電機對稱安裝在機架末端，機架中央安放飛行控制器，飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器完成各種姿態(tài)和動作。

四旋翼飛行器只有四個輸入力，同時卻有六個狀態(tài)輸出，所以它是一種欠驅(qū)動系統(tǒng)。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，電機1和電機3逆時針旋轉(zhuǎn)，電機2和電機4順時針旋轉(zhuǎn)，各個旋翼對機身所施加的反扭矩可以相互抵消。由于飛行器自身的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以需要一種能夠隨時檢測，不斷調(diào)整的控制方法。

二、設(shè)計原理：

飛行控制器主要有微控制器、陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計、GPS、無線通信模塊等組成。飛行器由于安裝、外界干擾、零件之間的不一致等原因會形成飛行器力量不均衡，導(dǎo)致飛行器容易發(fā)生側(cè)翻。飛行控制器通過各路傳感器獲取實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算求出姿態(tài)角，再根據(jù)無線接收機收到遙控命令數(shù)據(jù)進行比較，計算出控制量，對這些控制量進行PID計算，將輸出量轉(zhuǎn)化為PWM信號，分別控制各個電機轉(zhuǎn)速，達(dá)到想要的姿態(tài)和位置。

三、硬件設(shè)計：

四旋翼飛行控制系統(tǒng)的微控制器選用目前市場最流行的STM32，具有資源多，計算速度快，價格低廉等優(yōu)點，傳感器分為陀螺儀、加速度計和羅盤。陀螺儀用于檢測角速度，在生產(chǎn)應(yīng)用中會引入三軸偏差和零點偏差，所以采用積分推算校準(zhǔn)的方法對陀螺儀進行精確校準(zhǔn)。加速度計是用于檢測飛行器加速度的傳感器，飛行器在誤差消除方面使用加速度計的測量值對陀螺儀x軸和y軸方向的漂移做參考【1】，對陀螺儀的漂移誤差進行校準(zhǔn)。選用MPU6050，大大降低了陀螺儀與加速度計之間對準(zhǔn)是產(chǎn)生的誤差，并使用數(shù)字低通濾波器，過濾無人機造成的高頻震動，避免了四旋翼的姿態(tài)測量誤差，數(shù)據(jù)之間采用I2C端口連接，由于I2C總線屬于低速通信號總線，根據(jù)I2C總線的時序規(guī)則，可以在STM32任意兩個模塊實現(xiàn)I2C通信，極大地擴展了I2C總線個數(shù)及功能。

四、軟件設(shè)計：

4.1系統(tǒng)程序

系統(tǒng)首先完成MCU內(nèi)部初始化，開始運行STM32處理器用到的外部設(shè)備，其中有NVIC中斷處理器、USART串口通信、定時器、時鐘系統(tǒng)、I2C接口；之后是初始化硬件和系統(tǒng)姿態(tài)解算，運用模塊化設(shè)計。最先的是定時器中斷開啟，通過2.5ms的計時中斷與I2C接口獲得三軸數(shù)字羅盤的和MEMS傳感器的測量數(shù)據(jù)，之后根據(jù)傳感器的特點進行濾波，再利用初始校正所得到的校正數(shù)據(jù)校正讀取的數(shù)據(jù)，校正完成后，對其做加權(quán)平均減少誤差，之后進行地磁數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與四元數(shù)姿態(tài)解算，最后數(shù)據(jù)融合【2】，輸出校準(zhǔn)后的姿態(tài)角信息。

4.2 PID控制算法

四旋翼無人機因其結(jié)構(gòu)對稱，將飛行控制系統(tǒng)分成姿態(tài)控制系統(tǒng)與位置控制系統(tǒng)，對兩種飛行控制系統(tǒng)分別進行控制設(shè)計。但是在通常情況下，飛行姿態(tài)會直接影響到無人機的位置，如果把無人機姿態(tài)控制器稱為內(nèi)環(huán)控制器，位置控制器稱為外環(huán)控制器。首先需要得出四旋翼無人機姿態(tài)誤差信號也就是當(dāng)前獲取到的姿態(tài)角與期望值的姿態(tài)角的差值，之后再通過串級PID控制算法得出各個電機的調(diào)整量，將調(diào)整量信號傳遞給四個旋轉(zhuǎn)的電機，通過改變四個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)控制整個系統(tǒng)的姿態(tài)，使得姿態(tài)誤差始終趨向最小，最終形成雙極閉環(huán)回路控制系統(tǒng)【3】，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

五、總結(jié)：

本文主要論述了四旋翼的飛行原理和控制方式，實現(xiàn)了四旋翼飛行器的硬件、軟件的設(shè)計要求，四旋翼雖然達(dá)到了設(shè)計的要求，但仍有許多問題需要解決：PID的參數(shù)需要經(jīng)過多次實驗調(diào)整，飛行器適應(yīng)能力差，穩(wěn)定性需要提高，使能夠具備自主起飛、巡航、偵察的能力。

【參考文獻(xiàn)】

【1】鄒佳池.羅盤和加速計校正方法.微信公眾號“知控制”.

【2】吳濤，戈惠梅，顧志華.四軸無人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計[J]，河南科技，2014.

【3】陳自力.無人機-嵌入式控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2015.

基金項目：西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院“雙E”大學(xué)生科研創(chuàng)新項目資助

（項目編號：201842509）