基于Pixhawk飛控的四軸飛行器編隊控制分析

劉峰　唐天翊

摘 要：在單架四軸飛行器穩定飛行的基礎上，對飛行編隊的控制策略進行研究。在整個過程中，分析四軸飛行器的飛行原理，研究飛行控制與導航方法，通過強大的開源飛控平臺和穩定的算法運算，保證單架飛行系統穩定。采用“集中式”通信方式，利用XBee模塊遠程通信的穩定性高、實時性好、抗干擾性強的優點完成四軸飛行器間的數據鏈交換。針對軟硬件兩個方面進行設計，完成基于領航-跟隨的編隊飛行控制的分析總結，最后通過實際飛行實驗進行驗證。

關鍵詞：四軸飛行器 Pixhawk飛控算法 通信網絡 “領航-跟隨”法編隊控制策略

中圖分類號：V249.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0183-02

近年來，隨著新型材料、導航技術、嵌入式微控制器在四軸飛行器中的廣泛應用，結合國內外飛行控制的研究進展，與無人直升機、固定翼多機編隊相比較，四軸飛行器編隊控制理論研究更加成熟。目前，四軸飛行器編隊自主控制在國內外一些高校得到了較好的科學驗證。

四軸飛行器編隊由地面站、編隊機群、鏈路三大部分組成。飛行器地面站是整個飛行器編隊系統的指揮控制中心，專門用于對飛行編隊的地面控制和管理。編隊機群有3架以上四旋翼無人機組成，單架四旋翼無人機通過用戶終端輸入（通常為遙控器）和飛行控制系統（簡稱飛控）中的程序算法解算，使用電子調速器根據輸出電壓匹配輸出電流來驅動電機轉速，實現對飛行姿態和位置的控制（核心組件就是飛控）。鏈路主要負責編隊機群與地面站之間的通訊，通過多種通信方式將編隊飛行數據實時傳輸到地面站，并可以將地面站發出的控制信號傳給編隊“領航者”，從而使得飛行編隊按照既定的指令飛行。

1 構建穩定的單架四軸飛行器飛行系統

1.1 選取合適的飛行編隊平臺

飛行編隊平臺的選取決定了編隊的直接飛行效果。大尺寸的四軸飛行器飛行速度很難改變，導致機體很難受控；并且在大載重下，槳葉揮舞會導致剛性大的槳很容易折斷。而微小型四軸飛行器續航時間短、載重量小，無法達到技術指標。另外，飛行編隊平臺要求響應速度快、穩定性好。經過國內外對四軸飛行器各個軸距的綜合實驗驗證以及成本預算，選取較為成熟的F450四軸飛行器平臺，以達到飛行編隊預期的飛行效果。

1.2 搭載Pixhawk飛控控制算法

Pixhawk飛控控制算法最突出的特點是由NuttX實時操作系統進行統一管理和調度各個線程。各線程之間相對獨立，使飛控的易用性、代碼的移植性增強，便于編程人員對模塊化的算法進行維護。控制算法的核心是基于擴展卡爾曼濾波（EKF）的姿態解算。姿態解算算法的作用就是將加速度計、陀螺儀等傳感器的測量值經過去噪聲濾波及數據融合，解算出姿態角，進而作為系統的反饋量，從而形成閉環反饋控制系統。

1.3 軟硬件平臺兼容調試

以Pixhawk開源飛控控制算法為核心，分三步實現對四軸飛行器的實時有效控制。

第一步：接收外部實時有效數據。包括用戶通過遠程遙控發送的控制四軸飛行器姿態的通道量和飛行模式、GPS采集到的當前經緯度和時間、各個傳感器的初始數據。第二步：進行濾波處理和數據融合。對四軸飛行器進行位置預測、位置控制、姿態預測、姿態控制，解算出相關數據，并將數據進行矩陣處理，轉換為四個端口的PWM信號，進行輸出。第三步：根據輸出的PWM信號不同的占空比，外部動力源通過電子調速器的輸出電流驅動無刷電機產生不同的轉速，從而實現對四軸飛行器的有效控制。

2 自主設計并實現四軸飛行器編隊控制

2.1 搭建“集中式”通信網絡

現編隊控制的通信網絡有兩種較為主流的搭建方式，一種是“分布式”通信網絡，另一種是“集中式”通信網絡。采用“分布式”的通信網絡的編隊控制需要每架四軸飛行器上攜帶一個強大的計算中心，用于運行編隊控制算法，從而實現四軸飛行器與周圍鄰居幾個四軸飛行器密集的數據交互；而采用“集中式”的通信網絡的編隊控制則只需要一個計算中心來統籌計算控制命令，與通信網絡中其他節點的四軸飛行器建立無線通信連接并向它們發送指令即可。搭建“分布式”通信網絡盡管可以減少通信上的延時，但是極大的占用飛行動力與功耗。而搭建“集中式”通信網絡不僅功耗低、占用較少的資源，而且在工程上實現也較為容易。

“集中式”通信網絡的搭建是四軸飛行器保持飛行編隊的重要組成部分。由于通信網絡節點必須達到穩定可靠、實時高效的效果，所以設計通信網絡時，在節點硬件上要求成本較低、能耗較少，在軟件技術上必須支持多跳的路由協議。在通信技術選取上，通過文獻[5]，了解到ZigBee技術是一種低速率、低功耗、低復雜度、低成本的雙向無線通信網絡技術，傳輸范圍一般在一千米以內，以自組織方式構成無線通信網絡。在硬件選取上，采用基于ZigBee技術的XBeeS3B通信模塊，該模塊是一種遠距離低功耗的數傳模塊，有2.4G、900M、868M三種頻段，同時可兼容802.15.4協議。可組mesh網絡，冗余特性強，數據幀信息全面，數據準確可靠，并且在終端通過X-CTU軟件方便調試。每個模塊都可以做為路由節點，協調器，以及終端節點。

2.2 選取“領航-跟隨”編隊控制策略

基于“領航-跟隨”法的編隊控制策略，需要在編隊中選取一位領航者，剩余所有的機體都作為僚機。而所有的僚機在飛行之初通過矩陣就已經設定好位置和角度，只需在編隊飛行中保持與領航者的相對距離和相對角度，就可以實現編隊飛行的任務。而對于所要規劃的航跡來說，只有領航者才對航跡進行規劃，其余僚機都是按照與領航者的位置差和角度差來驅動自身控制器的。同時在偏差解算中，添加了速度偏差，用于實現僚機對領航者的速度跟隨，使得當領航者以較大加速度改變速度的時候，領航者與僚機之間的間距仍然能夠保持在一個穩定的范圍內。僚機通過接收領航者的航向信息，能夠對領航者的航向做出響應，使得在編隊飛行過程中，領航者速度方向發生變化的時候僚機能夠保持在領航者的固定方位。這種方法結構簡單，形式較為容易設計，控制效果明顯。

3 四軸飛行器編隊控制將來的應用趨勢

根據眾多文獻資料的研究，現在四軸飛行器編隊控制主要還是停留在理論研究的程度，所以在四軸飛行器編隊控制的發展趨勢中，未來的飛行編隊一定會帶來更多的智能化與系統化的控制策略。相比于商業領域，四軸飛行器編隊能夠靈活、隱蔽地飛向敵防空領域，執行偵察、通信、電子干擾等任務的特點使其在軍事方面應用前景更加廣闊。

四軸飛行器編隊控制的發展趨勢主要有兩部分：（1）可適應更加復雜、惡劣的環境。在以高新技術為主導的未來戰場上，周圍環境必然變得更加惡劣與復雜，這給四軸飛行器編隊控制帶來了巨大的難題。從而四軸飛行器為了適應未來戰場的需要必須提高其自身對周圍環境的適應能力。（2）基于網絡化的協同調控。伴隨現代互聯網技術的發展，未來戰爭更將是一場信息戰爭，所以增加飛行編隊控制系統的網絡化應用必然也會成為一種趨勢。所以未來飛行編隊間的通信網絡化越發成為當今科技界的研究重點，這才能更好地保證飛行編隊各機間協同控制的效率。

參考文獻

[1] Seattle. High performance full attitude control[姿態控制-英文][D]. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）Washington State Convention Center，2015：2-5.

[2] Daniel Warren Mellinger.四旋翼軌跡控制經典-英Trajectory Generation and Control for[D]. University of Pennsylvania Scholarly Commons，2012：1-108.