普適性四旋翼飛行器平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李浩漢　郝慧杰　許逸波　肖建

摘 要：由于飛行控制技術(shù)限制、硬件平臺(tái)局限和模塊接口不一致等，傳統(tǒng)的四旋翼飛行器測(cè)試平臺(tái)在平臺(tái)搭建、平臺(tái)調(diào)測(cè)、平臺(tái)可復(fù)用等方面難以滿足當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試需要。為此，建立四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模，設(shè)計(jì)普適性四旋翼飛行器硬件平臺(tái)，采用飛行器控制器與處理器分離的方案，實(shí)現(xiàn)了快速搭建飛行器測(cè)試平臺(tái)，并使用普適性四旋翼飛行器硬件平臺(tái)，通過(guò)簡(jiǎn)單的處理器軟件模塊化調(diào)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)模塊的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器；普適性；可復(fù)用；模塊化

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.18.104

隨著嵌入式處理器技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展及其在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用，微小型無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐步趨向高集成度和多功能化。在當(dāng)前研究較多的空中機(jī)器人中，四旋翼飛行器因其簡(jiǎn)潔的機(jī)械結(jié)構(gòu)和靈活的飛行特性，已經(jīng)成為了理論研究領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室仿真、測(cè)試方面的熱點(diǎn)內(nèi)容。同時(shí)，多年來(lái)，四旋翼飛行器已經(jīng)成為了各類科技競(jìng)賽的常規(guī)賽題，激發(fā)和帶動(dòng)了無(wú)數(shù)的人才投入到相關(guān)領(lǐng)域的研究中。此外，四旋翼飛行器也在軍用和商用領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色，發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室仿真、測(cè)試和科技競(jìng)賽中，受研究水平和研究條件等方面的限制，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼飛行器在軟硬件和機(jī)械部分的可靠性保證。另外，鑒于硬件平臺(tái)局限和模塊接口不一致等，傳統(tǒng)的四旋翼飛行器測(cè)試平臺(tái)也逐漸暴露出更新?lián)Q代不便捷、利用率不高和可復(fù)用性差等方面的弊端。為此，本文在保證各個(gè)功能單位模塊化和各個(gè)軟硬件接口一致性的前提下，依托嵌入式處理器技術(shù)和CAD技術(shù)，通過(guò)硬件設(shè)計(jì)及仿真和軟件模塊化設(shè)計(jì)，提出了一種普適性比較高的四旋翼飛行器平臺(tái)。該平臺(tái)可以提高四旋翼飛行器平臺(tái)的開(kāi)發(fā)效率和利用率，并且可以在多種軟硬件平臺(tái)間復(fù)用。

1 四旋翼飛行器平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器平臺(tái)的功能需求如圖1所示。該平臺(tái)軟件部分包括四旋翼飛行器的姿態(tài)解算部分和核心控制算法層，以及1個(gè)PC端的應(yīng)用層工具。硬件部分包括各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本平臺(tái)采用全向余弦矩陣解算歐拉角的方法進(jìn)行姿態(tài)解算，并通過(guò)PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器姿態(tài)的控制。硬件部分采用Altium Designer設(shè)計(jì)電路，并進(jìn)行電氣仿真，驅(qū)動(dòng)層采用嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境結(jié)合主控制器開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。

該平臺(tái)所有的軟件函數(shù)接口和硬件電氣接口均采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口，功能單元設(shè)計(jì)也遵從接口兼容和模塊化的原則。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 PID控制簡(jiǎn)述

在過(guò)程控制中，按照偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）控制的自動(dòng)控制器稱為PID控制器。在實(shí)際工程中，其應(yīng)用比較廣泛。它的原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單。PID控制是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，PID算法主要可分為增量式算法、位置式算法。其中，位置式算法可以直接用于過(guò)程控制，在追蹤算法輸出方面更方便；增量式算法則減少了運(yùn)算量，故障影響范圍小，不會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

2.2 飛行器姿態(tài)解算方法

機(jī)體坐標(biāo)系和地面坐標(biāo)系如圖2所示。

剛體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)歐拉角變換測(cè)得當(dāng)前姿態(tài)。如圖2所示的2個(gè)坐標(biāo)系，1個(gè)是地面參考系，1個(gè)是飛機(jī)體參考系。對(duì)于任意Q向量，相對(duì)于機(jī)體參考系得到向量QP和相對(duì)于地面參考系的向量QG。由旋轉(zhuǎn)矩陣R得到相應(yīng)的關(guān)系式：

得到飛行器的姿態(tài)后，即可通過(guò)由嵌套的PI-PID算法循環(huán)來(lái)控制。優(yōu)化內(nèi)部的PID循環(huán)對(duì)保證飛行的良好性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。外部PID循環(huán)不敏感會(huì)影響飛行的樣式（快或慢），而內(nèi)部PID循環(huán)則要計(jì)算出所需的旋轉(zhuǎn)角速度，并且與原始陀螺儀數(shù)據(jù)比較，將差異反饋給PID控制器，然后發(fā)送到電機(jī)修正旋轉(zhuǎn)。這是比率（ACRO）模式、穩(wěn)定模式和其他所有模式的核心，也是飛行器中最關(guān)鍵的增益值。

本文提出的四旋翼飛行器平臺(tái)采用OV7620攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，并通過(guò)主控制器的串口發(fā)送至PC端應(yīng)用層串口工具，PC端實(shí)時(shí)顯示從四旋翼飛行器平臺(tái)傳輸過(guò)來(lái)的攝像頭圖像數(shù)據(jù)。

3 硬件部分設(shè)計(jì)

3.1 四旋翼飛行器主控模塊

該平臺(tái)采用瑞薩的嵌入式控制器R5F100LEA作為主控，由于瑞薩系列MCU具有較高的可靠性，其在車載平臺(tái)中得到了廣泛的應(yīng)用。該主控具有高速32 MHz時(shí)鐘、12位間隔定時(shí)器和64 K RAM，支持自編程功能，可在線調(diào)試，內(nèi)置乘除法器、乘加法器、按鍵中斷、16位定時(shí)器、串行接口和8/10位分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足平臺(tái)的工程需求。

3.2 攝像頭模塊

考慮到該平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，圖像采集和視頻圖像處理部分僅涉及到顏色的灰度值，并由灰度值取閾值構(gòu)成邏輯判斷，顏色數(shù)據(jù)比較小，所以，平臺(tái)采用攝像頭集成模組FIFO-OV7620作為攝像頭模塊。該模組自帶FIFO，由CMOS 攝像頭模塊OV7620和FIFO模塊AL422組成，有效解決了攝像頭與主控模塊之間的數(shù)據(jù)讀取不同步的問(wèn)題。攝像頭實(shí)際采集圖像效果如圖4所示。

3.3 定高模塊

該平臺(tái)需要在實(shí)驗(yàn)室等室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)定高飛行等功能，可供選擇的定高傳感器模塊有氣壓傳感器模塊、近紅外定高模塊和超聲波聲納模塊。其中，氣壓傳感器模塊的精度不能滿足實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)調(diào)測(cè)的要求，而近紅外定高模塊成本比較高。綜合考慮平臺(tái)所需精度和可靠性的問(wèn)題，本文將超聲波聲納模塊作為四旋翼飛行器平臺(tái)的定高模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種普適性的四旋翼飛行器平臺(tái)，它包括姿態(tài)解析算法、自動(dòng)控制算法、主控制器模塊、攝像頭模塊和超聲波聲納模塊等。平臺(tái)采用統(tǒng)一的軟件函數(shù)接口和硬件電氣接口，可以提高平臺(tái)的快速搭建和便捷定制的能力，提高模塊更新?lián)Q代的兼容能力，從而提高整個(gè)四旋翼飛行器平臺(tái)的普適性、穩(wěn)定性、可復(fù)用性和可定制性。通過(guò)模塊化編程和硬件模塊化設(shè)計(jì)，可以在不同環(huán)境下，通過(guò)快速便捷地更改模塊和增減代碼來(lái)滿足多種測(cè)試和任務(wù)要求。因?yàn)槠脚_(tái)具有普適性和便捷性的優(yōu)點(diǎn)，所以，能夠保證平臺(tái)勝任自動(dòng)控制理論領(lǐng)域、嵌入式處理器技術(shù)領(lǐng)域等的研究，以及各種科技類競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)室仿真驗(yàn)證和測(cè)試方面的工作。

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〔編輯：白潔〕