四旋翼飛行器姿態控制半實物仿真

四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降（VTOL）、自主懸停的飛行器，具有體積小、重量輕、隱蔽性好、結構簡單、成本低、機動性強、安全性好等諸多優點，已經廣泛應用于巡邏執法、地形勘測、災難救援、農林植保等領域。四旋翼飛行器控制系統的設計是其任務實現的關鍵?；赿SPACE半實物仿真技術的飛行器控制系統設計，是一種置信水平較高的方法，已經成為研究熱點。

dSPACE實時仿真系統是由德國

dSPACE （digital Signal Processing and Control Engineering）公司開發的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及測試平臺，它實現了與MATLAB/Simulink的無縫連接。dSPACE具有將設計軟件（MATLAB）與硬件模塊（電機、開關、輸入輸出（IO）接口、串口通信等）快速連接的優勢，同時，其自帶的工具包——ControlDesk軟件可以關聯Simulink模型中的參數以及實時監測系統狀態，實現了硬件系統參數在線動態調試的功能，極大地加快了軟硬件系統聯調的進度。目前，dSPACE系統已廣泛應用于航空航天、汽車、發動機、機器人、電力機車、驅動及工業控制等領域。

本文利用dSPACE的軟硬件聯調優勢，在三自由度的實驗裝置上，針對四旋翼飛行器的姿態進行控制，通過姿態傳感器采集實時位姿，采用常規PID控制算法，控制信號通過dSPACE輸出到四旋翼飛行器執行機構上，完成了四旋翼飛行器姿態控制。結果表明，系統能夠有效跟蹤給定的期望參考信號，并且在一定范圍內保持穩定的跟蹤性能。

半實物仿真框架

在四旋翼飛行器控制系統開發過程中，dSPACE為四旋翼飛行器快速控制原型和硬件在回路仿真提供了統一的應用平臺。dSPACE作為控制器與四旋翼飛行器相連，通過ControlDesk觀察控制算法的性能，實時修改設計控制算法，反復試驗找到理想的控制方案。在硬件在回路仿真中，dSPACE充當控制對象，模擬控制對象產生的信號，用來檢驗開發的控制算法的正確性和可靠性。借助dSPACE提供的一整套計算機輔助控制系統設計軟件工具包，可實現在同一技術框架下完成系統描述、動態系統建模、控制器設計與優化、離線仿真、目標代碼生成、實時控制的整個開發流程。四旋翼飛行器姿態控制半實物仿真結構框架如圖1所示。

利用dSPACE的軟硬件聯調優勢，在Simulink中搭建控制器模塊、姿態數據采集模塊、四旋翼飛行器運動邏輯模塊以及PWM信號發生模塊等，通過dSPACE與PC連接編譯，生成c代碼，實時控制四旋翼飛行器；通過四旋翼上的機載傳感器慣性測量單元（IMU），將姿態的3個姿態角測量解算獲得的反饋值與期望姿態值做差，形成偏差信號通過控制器，整個系統形成閉環控制回路，四旋翼姿態控制結構框圖如圖2所示。

四旋翼飛行器飛行原理

四旋翼飛行器是一種包括滾轉、俯仰、偏航以及3個位置量的六自由度剛體，具有強耦合、非線性等特點。四旋翼按照旋翼布置方式可分為X模式和十字模式，如圖3所示，對于姿態測量和控制來說，兩種方式的運動邏輯關系不同。四旋翼飛行器主要依靠4臺電機的轉速差進行控制，機械結構相對簡單，可由電機直接驅動，無需復雜的傳動裝置，其姿態運動原理如圖4所示。

四旋翼飛行器主要的控制變量是旋翼的3個姿態角：滾轉、俯仰和偏航，旋翼在旋轉時，會產生向上的升力和一個氣流反作用的扭轉力矩，扭轉力矩主要是調節飛機的航向角。當四旋翼飛行器為X字運動模式時，其產生基本動作的原理為：1號旋翼和3號旋翼逆時針旋轉驅動兩個正槳產生升力，2號旋翼和4號旋翼順時針旋轉驅動兩個反槳產生升力。反向旋轉的兩組電機和槳使其各自對機身產生的轉矩相互抵消，保證4個旋翼轉速一致時機身不發生轉動。1號旋翼和2號旋翼增大（減小），3號旋翼和4號旋翼減?。ㄔ龃螅?，實現滾轉運動；1號旋翼和4號旋翼轉速增大（減?。?，2號旋翼和3號旋翼減小（增大），實現俯仰運動；1號旋翼和3號旋翼轉速相同，2號旋翼和4號旋翼轉速相同，且1號旋翼和3號旋翼轉速大于（小于）2號旋翼和4號旋翼轉速，實現偏航運動。

因此，根據四旋翼飛行器產生基本動作的原理，可以得到四旋翼飛行器的姿態控制邏輯關系，如圖5所示。以姿態歐拉角的期望值與計算值作差為控制器的輸入，每個電機對應的脈沖寬度調制（PWM）控制量都是3個控制器輸出的疊加，疊加量的正負與電機位置相關。

四旋翼飛行器姿態控制目標是使其在無動作指令時保持穩定懸停狀態，有動作指令時有效完成期望動作。本文使用的四旋翼固定裝置如圖6所示，該裝置將四旋翼飛行器的3個位置量的自由度限制，強制將其解耦，只剩下滾轉、俯仰和偏航3個自由度的控制，為單獨實現對四旋翼飛行器姿態控制創造了條件。Simulink主模塊如圖7所示，包括姿態角期望值輸入（Roll， Pitch， Yaw）、實時姿態數據采集器、控制器、四旋翼運動控制邏輯模型、PWM信號發生模塊（DS1104SL_DSP_PWM）。

姿態數據采集

在dSPACE與PC連接之后的Simulink中，RTI實時接口中的DS1104SL_DSP_ PWM模塊可以輸出4路PWM脈沖Ch1、Ch2、Ch3和Ch4，每路脈沖都可以單獨進行占空比和啟停的控制，模塊輸出與CP18硬件端口的對應關系如表1所示。輸出的PWM經過電調，驅動電機轉動，實現四旋翼飛行器姿態的控制。

四旋翼飛行器在運動過程中，通過MTi-300位姿傳感器得到反饋姿態值，MTi-300可提供的數據包括溫度、姿態信息（歐拉角：滾轉、俯仰、偏航或者四元數、旋轉矩陣）、壓力等。本文控制的目的是實現姿態穩定，因此，只需采集四旋翼飛行器的姿態信息，采用歐拉角形式輸出滾轉、俯仰和偏航角。當傳感器數據穩定輸出時，可按幀收取姿態數據，輸出依次為單精度浮點數的滾轉角、俯仰角和偏航角，串口設置如表2所示。

仿真結果分析

本文在四旋翼飛行器姿態穩定下進行，采用常規PID控制算法，經過多次調試后確定的滾轉角、俯仰角和偏航角三通道PID參數，如表3所示。

由于固定四旋翼飛行器的三自由度試驗裝置在偏航方向存在較大摩擦阻力，影響了偏航方向的數據可信度，本文采集了滾轉通道和俯仰通道正向以及負向跟蹤預期響應的試驗數據，如圖8所示。

圖8（a）為滾轉通道的正向響應曲線，其調節時間約為1.5s，超調量約為5.2%，基本能夠保持穩定的參考信號跟蹤；圖8（b）為反向響應曲線峰值時間約為1.3s，基本沒有超調，比較穩定地跟蹤輸入參考信號。由于固定四旋翼飛行器的三自由度實驗裝置在滾轉和俯仰通道不可避免地存在一定的摩擦阻力，依靠四旋翼飛行器電機差速提供的俯仰力矩難以抵消硬件自身的摩擦阻力，因而響應存在遲滯現象。圖8（c）和圖8（d）分別展示了俯仰通道的正反向跟蹤響應，可以看出系統能夠有效跟蹤給定的期望參考信號，并且在一定范圍內保持穩定的跟蹤性能。

結論

本文基于dSPACE實時仿真平臺，設計了四旋翼飛行器姿態控制半實物仿真驗證平臺，采用常規PID控制算法，實現了四旋翼飛行器在三自由度的實驗裝置中的姿態控制仿真，提出了在三自由度的實驗裝置中對四旋翼飛行器的姿態進行控制的閉環回路仿真的思路。盡管固定四旋翼飛行器的三自由度實驗裝置存在一定的摩擦阻力，但試驗結果驗證了四旋翼飛行器實時姿態控制的可行性和有效性。本文提出的四旋翼飛行器姿態控制半實物仿真方法，不僅可以實現控制系統的快速設計與半實物仿真平臺的快速搭建，而且可以快速驗證飛行器的飛行控制算法，說明該方法具有良好的可移植性和廣闊的工程應用前景。

（金紹港 潘崇煜 張代兵 沈林成， 國防科學技術大學）