四旋翼飛行器控制系統設計

摘要：本文基于四旋翼飛行器的工作原理和性能特點(diǎn)，給出了飛行器控制系統設計方案，進(jìn)行了姿態(tài)和高度數據采集的軟件設計，并基于卡爾曼濾波算法完成了傳感器數據融合，設計了PID控制器并完成了軟件實(shí)現。實(shí)驗結果表明，該控制系統能夠穩定可靠運行，具有較強的魯棒性。

引言

　　四旋翼飛行器是一種具有6個(gè)自由度和4個(gè)控制輸入的系統，能進(jìn)行垂直起降、懸停、前飛、側飛和倒飛等運動(dòng)。其與直升機不同之處在于它通過(guò)4個(gè)旋翼產(chǎn)生可以相互抵消的反扭力矩，因而不需要專(zhuān)門(mén)的反扭矩槳。被廣泛應用于無(wú)人偵察、森林防火、災情監測、城市巡邏等領(lǐng)域。并且隨著(zhù)目前發(fā)展狀況，四旋翼飛行器主要優(yōu)點(diǎn)有： (1)擁有簡(jiǎn)單的機械結構; (2)飛行姿態(tài)穩定。同時(shí)飛行控制系統通過(guò)傳感器采集飛行姿態(tài)數據，實(shí)時(shí)監測和控制飛行姿態(tài)，可以使飛行器保持平穩飛行。相比傳統單旋翼直升飛機，四旋翼飛行器的飛行更為穩定。

1 系統硬件結構

1.1 飛行器的原理以及機械結構

　　四旋翼飛行器的基本結構如圖1所示，四旋翼飛行器的4只旋翼安裝于十字形機體的4個(gè)頂點(diǎn)位置，分為順時(shí)針旋轉(1、3) 和逆時(shí)針旋轉 (2、4)2組，當4只旋翼轉速相等時(shí)，相互間抵消反扭力矩;同時(shí)增加或減小4只旋翼的轉速可實(shí)現上升或下降運動(dòng);當1號與3號旋翼轉速增加(減小)，2號和4號轉速不變，飛行器實(shí)現偏航;當1號和3號旋翼轉速固定，2號旋翼轉速增加(減小)，4號旋翼轉速減小(增加)，飛行器實(shí)現向左(向右)飛行;當2號和4號旋翼轉速固定，1號旋翼轉速增加(減小)，3號旋翼轉速減小(增加)，飛行器實(shí)現后退(前進(jìn))飛行。

1.2 硬件平臺整體設計方案

　　硬件的選擇對控制系統的性能有很重要的影響，一個(gè)良好的硬件搭配會(huì )極大地提高控制系統的安全性、穩定性和準確性等各項性能指標。

　　如圖2所示為本次研究所用飛行器的實(shí)際構造框圖。由上位機或遙控手柄接受指令，控制芯片通過(guò)超聲波模塊獲取高度信息，再通過(guò)MPU6050獲取姿態(tài)信息以及加速度信息，經(jīng)過(guò)數字PID控制器計算得到控制量，再經(jīng)過(guò)控制芯片處理，向電調發(fā)出對應于控制量的PWM波，改變電機的轉速。

1.2.1 I²C總線(xiàn)

　　對MPU6050的控制與數據的讀寫(xiě)主要通過(guò)I²C總線(xiàn)形式。I²C構造簡(jiǎn)單，僅需要兩根線(xiàn)(SCL時(shí)鐘控制線(xiàn)，SDA數據傳輸線(xiàn))即可實(shí)現對芯片的控制與數據讀取，并且每個(gè)芯片都有其獨立的識別地址。在本實(shí)驗中，因為只有一個(gè)MPU6050，且只有它使用的是I²C總線(xiàn)，因此，只需要設置其工作在從發(fā)送模式即可。

　　對于STM32F103RBT6單片機而言，其硬件I²C接口極不穩定，容易發(fā)生數據錯誤和陷入死循環(huán)中，導致程序崩潰跑飛。因此，本實(shí)驗通過(guò)設置普通GPIO接口進(jìn)行模擬I²C與MPU6050進(jìn)行通訊。

1.2.2 對飛行器整體的控制

　　對飛行器的控制主要有三個(gè)部分。首先是對無(wú)刷直流電機的控制，在這里主要表現為PWM波的產(chǎn)生與調節。另一部分是對慣導系統信息的采集與讀取，以及高度信息的獲取。最后一部分就是如何處理上位機與遙控手柄發(fā)來(lái)的指令，即控制流程如何實(shí)現。

2 控制系統的軟件設計

2.1 對無(wú)刷直流電機的控制

　　對無(wú)刷直流電機的控制主要有兩個(gè)方面，一方面是通過(guò)PID算法得到控制量，另一方面是根據控制量輸出相應的PWM波。

　　另外，在對無(wú)刷電機的驅動(dòng)問(wèn)題上，經(jīng)過(guò)實(shí)際調試發(fā)現，首先需要對電調輸入最高電壓，電調對PWM信號的識別需要一段時(shí)間，之后再對電調輸入最低電平才能實(shí)現PWM波調節范圍的設定。

2.1.1 基于PID控制器的PWM波控制量的計算

　　實(shí)際上，信號的傳遞并不一定是連續的，比如在本實(shí)驗中，信號的讀取是根據控制定時(shí)器決定讀取數據時(shí)間間隔的。因此，本設計為數字式PID控制器。

　　在實(shí)際編程中，使用離散型PID控制算法實(shí)現，具體表達式經(jīng)簡(jiǎn)化表示為：

　　其中AUK為輸出的控制量，KP、KI和KD為PID的三個(gè)參量，但需實(shí)際飛行時(shí)進(jìn)行調整。EK為設定值與本次采樣值的差值;EK_1為設定值與上一次采樣值的差值;EK_2為再上一次的設定值與采樣值的差值。

　　圖3所示為具體程序流程框圖。其中針對不同的PID控制器，如俯仰PID控制器與橫滾PID控制器的不同點(diǎn)僅在于“控制量輸出”部分。從控制量到電機輸入電壓的轉化這一部分涉及到控制量的分配問(wèn)題。因為針對每一個(gè)控制信號，以“phi_ctrl_in(橫滾控制輸入)”為例，橫滾角的控制量與2號電機和4號電機的輸入電壓相關(guān)，即該控制量的大小會(huì )改變兩個(gè)電機的輸入電壓的大小。因此，一個(gè)控制量的改變會(huì )影響整個(gè)飛行器的飛行姿態(tài)，經(jīng)過(guò)反饋后，會(huì )帶動(dòng)其他控制回環(huán)進(jìn)行控制。即這四個(gè)控制量之間的耦合性很高。因此，在這里進(jìn)行控制量分配。

　　經(jīng)過(guò)反復調試后，得到一組最理想的PID參數。橫滾角phi控制器PID參數為：Kp=0.15，Ki=0，Kd=0.02;

　　俯仰角theta控制器參數： Kp=0.2，Ki=0，Kd=0.03;

　　偏航角psi控制器參數：Kp=1.1，Ki=0，Kd=0.4;

　　高度height控制器參數：Kp=6，Ki=0.2，Kd=2;

　　x軸方向加速度PID控制器參數：Kp=7，Ki=1.0，Kd=0;

　　y軸方向加速度PID控制器參數：Kp=6，Ki=1.0，Kd=0。

2.1.2 PWM波調速

　　本實(shí)驗所用四旋翼飛行器硬件平臺采用無(wú)刷直流電機，使用電子調速器作為驅動(dòng)模塊?？刂频暮诵姆椒橄螂娬{發(fā)出PWM波，通過(guò)控制PWM輸出的占空比來(lái)改變電機的控制電壓，實(shí)現對電機轉速的控制。PWM波通過(guò)主控芯片產(chǎn)生。本文使用的主控芯片為STM32F103RBT6，它通過(guò)配置定時(shí)器工作在PWM模式下，對于通用的定時(shí)器，可以獨立地同時(shí)發(fā)出四路PWM波，完全可以滿(mǎn)足本實(shí)驗的要求。

　　硬件實(shí)現上，使用定時(shí)器4輸出四路PWM波信號。使定時(shí)器4工作在復用模式下，對應的外部端口為：PB6、PB7、PB8和PB9，他們分別連接1號、2號、3號和4號電機的信號控制線(xiàn)。

　　在對定時(shí)器4的配置上，首先打開(kāi)定時(shí)器4的時(shí)鐘RCC_APB1Periph_TIM4，以及對應PB端口的時(shí)鐘RCC_APB2Periph_GPIOB。因為定時(shí)器4為通用定時(shí)器，可進(jìn)行16位自動(dòng)重裝載計數。使用的是單片機的固定頻率72M的時(shí)鐘信號，但可以通過(guò)改變預分頻寄存器里的值，改變計數時(shí)鐘頻率。本實(shí)驗中設定為72-1;設置波形周期TIM_Period計數上限為2000，為向上計數模式。配置TIM_OCMode為PWM1模式(即TIM脈沖寬度調制模式1)，使能四個(gè)比較通道。之后配置輸出端口，將端口設置為50MHz復用推挽輸出。最后打開(kāi)使能定時(shí)周期TIM_Cmd(TIM4, ENABLE)即可開(kāi)始工作。通過(guò)比較TIM_Period中的值與寄存器TIM4_CCRx中的值可以輸出不同占空比的波形。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗發(fā)現，只有當設定值為1050以上時(shí)，電調才能識別出電壓信號，即只有當占空比大于50%時(shí)，電調才會(huì )認可輸出PWM波信號。因此，對電機的占空比調節范圍為：1050/2000~2000/2000;當設定值為1050時(shí)，電機剛開(kāi)始旋轉，當設定值為2000時(shí)，電機達到最高轉速。為了防止TIM4_CCRx中的值超過(guò)計數上限，也為了控制電機的最高轉速，在向TIM4_CCRx寫(xiě)入轉速控制變量前進(jìn)行限幅濾波，使其寫(xiě)入值始終在可靠范圍內。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第48頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。