多旋翼無人機飛行控制系統設計與實現研究

明志舒+黃鵬+劉志強+李樂蒙+高凱

摘 要：隨著社會的進步和國民經濟的發展，現代高新科技的發展得到了前所未有的推進，為各行業的進步和發展提供了良好的保障。近些年來出現的多旋翼無人機，是一種集合多項現代高新科技的成果，具有定點懸停功能，能夠實現在現代軍事、工業、農業等各個領域的應用。本文就四旋翼無人機為例，探討了多旋翼無人機飛行控制系統的設計以及實現。

關鍵詞：多旋翼無人機 飛行控制系統 設計與實現研究 無人機飛行控制系統

中圖分類號：V249 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）10（b）-0057-02

1 飛行控制系統的硬件設計

本文設計的飛行控制系統在硬件方面主要分為控制器、傳感器、電源、執行機構和遙控接收等模塊，具體論述如下。

1.1 控制器

我們利用美國德州儀器公司所研發的TMS320F28335當作控制器當中的主芯片，可以說它是當下功能最為強大的一種芯片，具備對信號加以處理的功能，而且還有嵌入式控制以及針對事件加以管理的功能。該芯片的外部接口基本原則為：將飛控系統作為基礎而定。該芯片不管是在引腳數目上，還是在引腳功能方面都非常貼合飛控系統的全部要求，所以說只要針對芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征為：（1）利用到了哈弗總線結構。（2）其代碼安全模塊利用到了128位密碼對Flash加以保護，保證相關寄存器在數據方面的安全。（3）TMS320F28335的應用，實現了對開發時間大幅度的節約，這主要是其利用到了目前應用比較廣泛的C/C++語言。（4）1K×16 OTP ROM以及8K×16形式的Boot ROM，供給出了兩個用于采樣的電力，繼而實現了對兩個通道上信號實施的同步采集，所以有著非常高效的處理能力以及運算的精度，確保了信號所具備的時效性以及高速性。

1.2 傳感器

1.2.1 陀螺儀

陀螺儀能夠對檢測指示器中的數據加以顯示，是自動控制系統當中的一個非常重要的組成。應用的陀螺儀是MPU6050三軸形式的陀螺儀，具有16位的模擬、數字轉換器，使輸出模擬量實現向可輸出數字量的轉化。

1.2.2 加速度傳感器

在多旋翼的飛行控制系統當中，加速傳感器應該說是一個非常重要的元器件。這不僅是由于加速度傳感器具有動態載體的特性校正功能，并且它能夠針對加速度實施積分，繼而得出載體速度以及位置之類的基本信息。我們所選取的ADI公司研發的ADXL345傳感器，同時兼具SPI以及I2C的數字輸出功能，其分辨率較高，同時體積也比較小。

1.2.3 GPS模塊

當無人機在天空飛行的時候定位系統是十分重要的，需要對無人機所呈現的姿態加以實時的測量，可以說在無人機系統當中，GPS模塊占據著一定的主導地位。我們選取了U-BLOX公司所研發和生產的CJMCU-6M當作GPS的接收機，該傳感器具有接口較為方便，而且定位的速度也比較快，不用長時間等待的特征。其利用串口輸出的形式RS-232數據傳輸，繼而結合協議而解算無人機所處的坐標、高度和時間之類的信息。

1.3 電源

電源模塊主要的功能是為飛控系統當中的其他模塊供給電量，從而確保飛行順利。電源模塊當中主要包含一個電源接口，以及一個穩壓器，穩壓器所具備的功能是對電壓加以轉換，避免因為高電壓而導致電路板和一些其他元器件的損壞。本文中選擇系統穩壓器的標準為5V輸入，主控板的供電輸出是3.3V，而最大的輸出電流是500mA。

1.4 執行機構驅動

多旋翼無人機的飛行系統想要達成自主懸停功能，這就需要飛行器必須要在飛行不穩的情況之下能夠迅速地改變成為平穩的狀態，也就是在這種情況之下，執行機構要在非常短的時間之內做出相應的反應，讓無人機所呈現的速度能夠高速地提升或降低。本文所設計的系統當中采用直流無刷電機當作執行機構，繼而配合無刷電調來應用，這個電機具備周期較長，而且效率較高等特征。電機是一種十分關鍵的執行機構，是對飛行器的姿態加以控制的動力。而我們所選擇的直流無刷電機是想讓四旋翼形式的飛行器形成多種飛行的姿態，工作的主要原理為對空氣動力學的利用，從而使旋翼形成多種轉速，繼而達到想要的效果，完成各種飛行姿態。直流無刷的電機所接收到的控制信號是PWM波所發出的。而結合DSP所發出的具有不同占空比的信號，電機就能夠做出相應的改變，繼而形成各種轉速，讓無人機能夠在空中顯現出各種飛行的姿態。

1.5 遙控接收

我們所選擇的接收機是我國天地飛公司所產出的WFLY型七通道的接收機，對遙控器發射的信號加以接收，在無人機的操作人員實施操控的過程當中，遙控器將會利用內部解算編碼之類的過程把信號轉變成為可以接收并識別的PPM信號，而接收機在對PPM信號加以識別之后，再利用譯碼電路把它轉化成PWM信號，最后再傳輸給信號轉換的模塊。而信號轉換的模塊是把五個通道的信號轉化成四路高速電子的調速器接收PWM信號。信號轉換模塊所對應的輸出跟電子調速器之間是相互連接的，它所輸出的也是PWM信號。而電子調速器是跟四個電機加以直接連接的，對電機所呈現的供電電壓加以控制，繼而實現對電機轉速的控制，讓無人機能夠形成各種各樣的飛行姿態。

2 飛行控制系統的軟件設計

2.1 軟件流程總體圖

本文所設計的多旋翼無人機軟件流程，其串口的初始化在系統的初始化當中實現。一樣在系統的初始化當中完成的還有I/O口、系統時鐘以及系統參數的初始化。針對多旋翼無人機所具備的通訊狀態和飛行姿態做出的檢測主要是利用自動檢測的方式。多旋翼無人機在對各種命令加以執行的進程也就是我們常說的對姿態的控制，其所包含的內容有：俯仰、偏航以及翻轉。要是無人機可以實現此項檢測，系統將會跳轉到等待指令狀態之中，而要是沒有收到命令，其中的軟件部分就將會對相關的命令加以計算，繼而為下一步命令的執行做良好的準備。

2.2 以Lab VIEW為基礎的姿態測量軟件設計

四旋翼無人機的軟件設計思想在于結構以及算法，所選擇的編程軟件Lab VIEW當作最為重要的編程語言。而在軟件總體設計方面，則要實施一次串口的初始化，繼而將采集的數據加以循環，在這當中包含針對數據實施的讀取、判斷以及轉換等，最終結合數據對姿態加以顯示。

3 實驗結果以及分析

結合Lab VIEW程序所呈現的流程圖，能夠實現四旋翼無人機所呈現姿態數據的采集，進而對將虛擬儀器無人機姿態的測量系統加以構建。筆者讓一架無人機呈現出下仰12.3°，繼而俯仰-7.5°，左偏139.18°姿態，把它固定在轉臺之上，繼而每相隔5°記錄一組3個姿態角輸出。轉臺轉動一周之后，得出轉臺轉角跟不同姿態角之間所呈現的關系曲線。所以，本文設計的飛行器大體可以實現預期的效果，較為符合飛行器姿態的測量設想。

4 結語

本文從硬件原理和軟件原理的各方面對多旋翼無人機的飛控系統構建過程進行了較為詳盡的介紹，通過文章中的討論可以得出結論，我們設計的飛行控制系統實現了對無人機飛行姿態的有效控制，繼而為今后的研究奠定了基礎。

參考文獻

[1] 薛亮.多旋翼無人機飛行控制系統設計與實現[D].南京航空航天大學，2016.

[2] 謝龍，韓文波.四旋翼無人機飛行控制系統設計研究[J].光電技術應用，2015（1）：48-53.endprint