四旋翼的平衡控制研究

李金鵬 丁玉琳 孫文峰 張心歌 西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 甘肅蘭州 730124

一、引言：

四旋翼飛行器是一種具有4個(gè)螺旋槳的飛行器，4個(gè)螺旋槳呈十字交叉結(jié)構(gòu)，對(duì)稱分布在機(jī)體的前、后、左、右4個(gè)方向,并且處于同一高度水平面，4個(gè)電機(jī)對(duì)稱安裝在機(jī)架末端，機(jī)架中央安放飛行控制器，飛行器通過(guò)調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器完成各種姿態(tài)和動(dòng)作。

四旋翼飛行器只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它是一種欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，電機(jī)1和電機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和電機(jī)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，各個(gè)旋翼對(duì)機(jī)身所施加的反扭矩可以相互抵消。由于飛行器自身的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，所以需要一種能夠隨時(shí)檢測(cè)，不斷調(diào)整的控制方法。

圖1

二、設(shè)計(jì)原理：

飛行控制器主要有微控制器、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、GPS、無(wú)線通信模塊等組成。飛行器由于安裝、外界干擾、零件之間的不一致等原因會(huì)形成飛行器力量不均衡，導(dǎo)致飛行器容易發(fā)生側(cè)翻。飛行控制器通過(guò)各路傳感器獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出姿態(tài)角，再根據(jù)無(wú)線接收機(jī)收到遙控命令數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算出控制量，對(duì)這些控制量進(jìn)行PID計(jì)算，將輸出量轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，分別控制各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到想要的姿態(tài)和位置。

三、硬件設(shè)計(jì)：

四旋翼飛行控制系統(tǒng)的微控制器選用目前市場(chǎng)最流行的STM32,具有資源多，計(jì)算速度快，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，傳感器分為陀螺儀、加速度計(jì)和羅盤(pán)。陀螺儀用于檢測(cè)角速度，在生產(chǎn)應(yīng)用中會(huì)引入三軸偏差和零點(diǎn)偏差，所以采用積分推算校準(zhǔn)的方法對(duì)陀螺儀進(jìn)行精確校準(zhǔn)。加速度計(jì)是用于檢測(cè)飛行器加速度的傳感器，飛行器在誤差消除方面使用加速度計(jì)的測(cè)量值對(duì)陀螺儀x軸和y軸方向的漂移做參考【1】，對(duì)陀螺儀的漂移誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。選用MPU6050，大大降低了陀螺儀與加速度計(jì)之間對(duì)準(zhǔn)是產(chǎn)生的誤差，并使用數(shù)字低通濾波器，過(guò)濾無(wú)人機(jī)造成的高頻震動(dòng)，避免了四旋翼的姿態(tài)測(cè)量誤差，數(shù)據(jù)之間采用I2C端口連接，由于I2C總線屬于低速通信號(hào)總線，根據(jù)I2C總線的時(shí)序規(guī)則，可以在STM32任意兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)I2C通信，極大地?cái)U(kuò)展了I2C總線個(gè)數(shù)及功能。

四、軟件設(shè)計(jì)：

4.1 系統(tǒng)程序

系統(tǒng)首先完成MCU內(nèi)部初始化，開(kāi)始運(yùn)行STM32處理器用到的外部設(shè)備，其中有NVIC中斷處理器、USART串口通信、定時(shí)器、時(shí)鐘系統(tǒng)、I2C接口；之后是初始化硬件和系統(tǒng)姿態(tài)解算，運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)。最先的是定時(shí)器中斷開(kāi)啟，通過(guò)2.5ms的計(jì)時(shí)中斷與I2C接口獲得三軸數(shù)字羅盤(pán)的和MEMS傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，之后根據(jù)傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行濾波，再利用初始校正所得到的校正數(shù)據(jù)校正讀取的數(shù)據(jù)，校正完成后，對(duì)其做加權(quán)平均減少誤差，之后進(jìn)行地磁數(shù)據(jù)校準(zhǔn)與四元數(shù)姿態(tài)解算，最后數(shù)據(jù)融合【2】，輸出校準(zhǔn)后的姿態(tài)角信息。

4.2 PID控制算法

四旋翼無(wú)人機(jī)因其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，將飛行控制系統(tǒng)分成姿態(tài)控制系統(tǒng)與位置控制系統(tǒng)，對(duì)兩種飛行控制系統(tǒng)分別進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。但是在通常情況下，飛行姿態(tài)會(huì)直接影響到無(wú)人機(jī)的位置，如果把無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制器稱為內(nèi)環(huán)控制器，位置控制器稱為外環(huán)控制器。首先需要得出四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)誤差信號(hào)也就是當(dāng)前獲取到的姿態(tài)角與期望值的姿態(tài)角的差值，之后再通過(guò)串級(jí)PID控制算法得出各個(gè)電機(jī)的調(diào)整量，將調(diào)整量信號(hào)傳遞給四個(gè)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，通過(guò)改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)控制整個(gè)系統(tǒng)的姿態(tài)，使得姿態(tài)誤差始終趨向最小，最終形成雙極閉環(huán)回路控制系統(tǒng)【3】，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

五、總結(jié)：

本文主要論述了四旋翼的飛行原理和控制方式，實(shí)現(xiàn)了四旋翼飛行器的硬件、軟件的設(shè)計(jì)要求，四旋翼雖然達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，但仍有許多問(wèn)題需要解決：PID的參數(shù)需要經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整，飛行器適應(yīng)能力差，穩(wěn)定性需要提高，使能夠具備自主起飛、巡航、偵察的能力。