共軸雙槳球形飛行器的控制系統設計

張輝，黃祥斌，韓寶玲，張晨，吳帆

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京理工大學 機電學院)

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張輝1，黃祥斌1，韓寶玲1，張晨2，吳帆2

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；2.北京理工大學 機電學院)

摘要:主要介紹為共軸雙槳球形飛行器設計的基于STM32微控器的控制系統。通過對飛行器的結構組成和控制要求的分析，對電路設計進行了整體布局和規劃，然后詳細設計了球形飛行器控制器的各組成部分。完成電路設計后，對飛行器進行了簡單的分析，將慣性測量單元輸出的四元數直接轉換成歐拉角，對飛行器的俯仰、橫滾和偏航3個通道進行PID控制。室外飛行試驗結果表明，該控制系統能夠在室外環境中使飛行器達到飛行平穩、可控性好的效果。

關鍵詞:STM32微控器；共軸雙槳球形飛行器； PID控制；飛行試驗

引言

微型飛行器(MAV)具有較小的結構尺寸、較低的飛行速度以及較低的雷諾數，可以應用于眾多領域，比如遙感、遠距偵查、載重運輸和救援任務等[1]。基于這些廣闊的應用市場，微型飛行器領域伴隨著飛速的發展與巨大的挑戰：一方面，隨著相關領域的發展(如傳感器技術、制造技術、通信技術)，微型飛行器變得更加智能[2]；另一方面，微型飛行器還面臨著傳感器估計的實時性、控制算法的準確性、路徑規劃的高效性等挑戰[3]。本文以團隊在研的一種微型球形飛行器為主體，設計了一款專用的飛行控制器，并在室外進行了一系列的測試、飛行，驗證了控制器能夠在室外環境中穩定、高效的工作，這對進一步提升飛行器飛行穩定、操控靈活，奠定了堅實基礎和重要的參考。

1飛行器結構簡介

圖1　球形飛行器實物結構

共軸雙槳球形飛行器結構如圖1所示，該飛行器由共軸無刷電機、航模電池、電子調速器、飛行控制器、螺旋槳、舵面、遙控接收機和外框組成。單旋翼飛行器飛行時會產生反扭矩，使飛行器機體旋轉[4]，這樣會加大控制的難度，所以該飛行器采用了共軸雙旋翼的結構形式。兩個電機利用正反槳轉向不同，相互抵消反扭矩，減少了飛行器的控制耦合。利用共軸電機保證結構緊湊的同時，可以減少電機軸的同軸誤差。4個舵面分布在飛行器的底部，最大限度地提高了舵面壓力中心到飛行器重心的距離，保證了舵面偏轉后下陷氣流對飛行器具有較大的作用力矩。

為了能夠使螺旋槳具有足夠的升力，舵機具有足夠的控制力矩，對飛行器的部件進行選型。在前一代樣機的基礎上估計飛行器重量約700 g，選用X2212電機，該電機配1047正反槳，最大拉力可以達到1200g，對應電流小于30 A。選用了銀燕ES08MD型舵機，該舵機在5 V電壓時扭矩可以達到2.0 kg·cm，滿足飛行器機動要求。飛行器的組成部件略——編者注。

2飛行器控制系統設計

2.1整體布局與規劃

為了完成控制系統設計，首先對飛行器進行整體布局與規劃。總體來說，飛行器控制需要以下4個重要組成部分：遙控單元、慣性測量單元、主控單元、信息存儲單元。遙控單元是飛行器的控制端，主要由遙控器和接收機組成(遙控器發射信號和接收機接收信號)，飛行器操控一般需要俯仰、滾轉、偏航和油門4個通道；慣性測量單元(IMU)用于飛行器姿態測量，主要由陀螺儀、加速度計和磁力計

組成；主控單元是飛行器的大腦，是飛行器信息處理以及信號輸入/輸出的單元；信息存儲單元可記錄飛行器調試、飛行數據，以便后續處理。

2.2雙STM32的控制電路設計

主控制器不僅需要運行控制算法、姿態解算，還需要對遙控器信號進行捕獲，因而需要大量的中斷服務程序，造成主控制器的任務龐大。為了簡化軟件設計、提高系統穩定性，采用了雙控制器結構，如圖2所示。控制單元分為兩個部分：主控部分和輔控部分。主控芯片的外圍電路主要包括慣性測量單元、PWM輸出、SD存儲單元；輔控芯片的外圍電路主要包括遙控信號捕獲、氣壓計電路以及外擴GPS電路。主控部分和輔控部分之間通過串口和I2C總線進行通信。

圖2　雙STM32電路

2.3供電電源設計

圖3　供電電路

控制系統由航模電池供電，電調輸出5 V電壓，既可以直接與控制器連接，又可以給舵機供電。核心處理器STM32、姿態測量單元和存儲單元需要3.3 V供電。為了防止短路和過流，設計了控制器的電源部分，如圖3所示。

2.4SD卡電路設計

為了便于準確分析實驗數據，設計了飛行控制系統的信息存儲單元，主控單元可以將采集的姿態信息、遙控信息直接存儲在SD卡中。SD卡的電路設計如圖4所示，采用SDIO的通信協議，速度高達10 Mb/s。

圖4　SD卡電路

2.5氣壓計電路設計

圖6　MPU6050電路

MS5611是由MEAS公司推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達到10 cm。該傳感器模塊包括一個高線性度的壓力傳感器和一個超低功耗的24位模/數轉換器。氣壓計與輔控芯片進行通信，采用I2C通信協議，接口電路如圖5所示。

圖5　氣壓計電路

2.6IMU電路設計

MPU6050是INVENSENCE公司推出的一款傳感器，具有低成本、低能耗和高性能的特點。該芯片首次集成了三軸陀螺儀和三軸加速度計，擁有數字運動處理單元(DMP)，可直接融合陀螺儀和加速度計數據。陀螺儀最大能檢測±2000 °/s，加速度計能最大檢測±16g，最大能夠承受10 000g的外部沖擊。HMC5883是霍尼韋爾公司推出的一款低成本磁力計，內部集成電路包括放大器、自動消磁驅動器、偏差校準、能使羅盤精度控制在1~2°的12位模數轉換器。兩款芯片采用I2C通信，HMC5883搭接在MPU6050的外部串行數據和時鐘線上，MPU6050通過I2C總線與單片機進行通信。MPU6050和HMC5883電路設計如圖6和圖7所示。

圖7　HMC5883電路

2.7PCB電路設計

完成原理圖設計后，進行了雙層PCB電路板的設計。整體PCB控制板尺寸為45 mm×45 mm，利用4個銅柱將

控制器水平安裝在共軸雙槳球形飛行器的中部。

3飛行器控制

3.1坐標系

地球坐標系原點可以任意指定，原點確定以后，將一組相互垂直的坐標軸固連在原點，就構成了地球坐標系。一般3個軸分別對準北方、東方和地心，按照順序分別叫做N軸、E軸和D軸，形成右手坐標系。

飛行器坐標系，其原點位于重心，它的X軸、Y軸和Z軸構成右手坐標系。一般X軸位于飛行器對稱面內，指向機身前方，Y軸指向飛行器右側，Z軸指向下方。飛行器沿X軸的轉動為滾轉運動，沿Y軸的轉動為俯仰運動，沿Z軸的轉動為偏航運動。

3.2歐拉角與四元數

歐拉角ψ、θ、φ是把速度或加速度矢量從地球坐標系變換到飛行器坐標系使用的3個角度，總是先繞Z軸旋轉ψ角，然后繞新的Y軸旋轉θ角，最后繞新的X軸旋轉φ角[5]。由地球坐標系到飛行器坐標系的歐拉角坐標變換數學表達式為：

四元數使用4個數值代表一個三維矢量。第一個數是標量或矢量的幅值，其余3個數可以認為是方向余弦。四元數表示如式(2)所示。

由地球坐標系到飛行器坐標系的四元數坐標變換數學表達式為：

該慣性測量單元擁有的數字運動處理單元為(DMP)，能夠在正確設置后直接輸出飛行器姿態四元數，通過計算可以獲得飛行器俯仰、橫滾和偏航歐拉角，用于控制飛行器的懸停或機動飛行。

3.3PID控制

PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制[6]。PID控制器框圖如圖8所示。利用PID分別對飛行器俯仰、橫滾和偏航3個通道進行控制。

圖8　PID控制器原理

4飛行試驗

完成飛行器控制系統設計之后，為了驗證控制器的有效性，對飛行器進行了調試實驗以確定合理的飛行參數。完成調試實驗后，在室外進行了試飛實驗，利用SD卡采集飛行信息，飛行曲線效果如圖9所示。試驗結果表明：該控制系統在有外部干擾的條件下，使飛行器達到了飛行平穩和可控性好的效果。

圖9　飛行曲線

結語

本文以微型共軸雙槳球形飛行器控制系統設計為主，介紹了飛行器基本組成，根據飛行器自身特點設計了專用的飛行控制器，在分析飛行器坐標系以及歐拉角的基礎上分別在俯仰、滾轉和偏航3個通道上應用了PID控制算法，實現了飛行器起飛、懸停和機動控制，有效地驗證了控制器的穩定性，為今后進一步提升控制器性能和飛行性能奠定了堅實基礎和重要的參考。

參考文獻

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[5] 德雷爾.AIAA系列-直升機和傾轉旋翼飛行器飛行仿真引論[M].孫傳偉,譯.北京:航空工業版社, 2012:91-94.

[6] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].2版.北京：電子工業版社, 2014:1-2.

Zhang Hui1,Huang Xiangbin1,Han Baoling1,Zhang Chen2,Wu Fan2

(1.School of Mechanical and Vehicle,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;

2.School of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing Institute of Technology)

Abstract：This paper introduces the design of the coaxial spherical aircraft control systems.After analyzing the structure and control requirements of the aircraft,the overall layout and planning of the circuit design are carried out,and the various components of the spherical aircraft controller is designed.After completing the circuit design of the aircraft,the quaternion outputted by the inertial sensor is directly converted into the Euler angle to do PID control for the pitch,roll and yaw of the aricraft.The outdoor flight tests prove that the control system can control the aircraft well in the outdoor environment.

Key words:STM32 microcontroller;coaxial spherical aircraft;PID control;flight test

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-07-03)

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A