基于FPGA的四軸旋翼控制系統

賈明俊， 陸安江， 盧學敏， 唐鑫鑫， 黃文華

(貴州大學 大數據與信息工程學院， 貴陽 550025)

0 引 言

無人機飛控作為無人機的核心組件是至關重要的，目前在飛控領域大都使用STM32的架構設計的飛控，此類飛控具有算法通用，成本低廉的優勢，但是相對于高精度以及高穩定的要求的場景，此類飛控還不能完全滿足需要。傳統的經典控制，單入單出(siso)、線性，時不變的。相對于傳統控制理論學，現代控制理論是復雜的，緊密的，是自動控制理論的重要組成部分，它的理論基礎是狀態空間行為。在現代控制理論中，通常采用時域法去闡述系統的狀態變量而完成控制系統的分析和設計[1]。

1 基本控制原理

(1)智能控制。人工智能和自動控制的結合就是智能控制。其能獨立控制智能機器并實現其目標的自動控制。任務設置和模型創建的過程是智能控制的核心、特別關注符號及其環境的識別和知識庫以及推理的設計和開發，而非數學公式的表述、計算和處理。為了達到讓被控對象以預定要求完成任務的目的，以采用ai控制、電腦系統模擬行業之前積累的經驗，從而創造相對寬泛的知識模型，應用于符號信息處理、開發編程、知識描繪、自學習等智能技術，通過系統過程進行理解、判斷、預測和規劃來論證與決策[2]。

(2)非線性控制。非線性控制一直以來作為復雜控制理論的巨大挑戰之一，其發展的過程借鑒了線性控制。數學工具的局限性導致非線性系統的發展不是特別快速，如泰勒級數展開在很多情況下難以適應自身要求。經典理論中的相級方法僅適用于二階系統，非線性單元的高階系統使用描述函數方法作為一種近似方法。對于非線性系統中系統研究等發展困難，反觀綜合方法的使用得到了強有力的發展。

(3)自適應控制。自適應控制系統在確定所需的控制性能指標，自動的改變設備結構和參數以適應環境的變化前，需要不停地測量系統的輸入、狀態、輸出或功率參數，參照接收到的信息，依據一定的設計方法逐步地理解和捕捉對象。

(4)魯棒控制。在控制過程中需要考慮的一個問題是模型的不確定性，這種不確定性會導致系統的安全問題，魯棒控制可以解決模型的安全問題。自適應控制設計控制器的基礎模型參數是它的基本思想。由于控制參數的調改依靠模型參數的更新，所以不能提前考慮潛在的不確定性。為了解決不確定參數的問題，在構建魯棒控制時選擇利用不確定信息構建控制器。魯棒控制一般適用于描述系統的不確定性，模型多樣化，多元性。

(5)模糊控制。模糊控制總的思想是自高而下，自頂而下的、總體布局設計，不拘泥于最底層細節，從更高的維度架構整個設計。模糊控制并非是控制過程不清楚，也不表示控制器不明確，只是知識和概念的不清晰，其所完成的工作是完全安全的[3]。1974年，模糊集理論首次被英國工程師曼達姆(e.i.mamdam)應用于鍋爐和蒸汽機的控制，自此開辟了模糊控制的新領域，特別是延時長、非線性、不好建模的，使用電腦實現模糊控制往往能取得好的效果。模糊控制有以下特征：寬泛的數學模型精確性、魯棒性強(抗干擾能力強)、效果好、比較容易掌握控制。提出了一種將融合結構、融合算法和控制作為一個整體進行設計的模型，即神經模糊-3融合控制模型，又將使用同類的BP網絡存儲模糊規則并把經驗“關聯”在一起。

(6)神經網絡控制。神經網絡由簡單的神經細胞組成，其連接重量為平行結構并且可調。神經網絡控制是以神經網絡為工具，模擬人腦簡單結構的一種新的操縱和識別方法。神經網絡在控制系統中既能當作對象模型，也能當作控制器。

2 FPGA應用

2.1 FPGA的優勢

FPGA被稱為現場可編程門陣列，其快速開發的特性，使之與傳統的處理器截然不同，FPGA的主要應用于圖像處理以及算法加速等。在大多數情況下，FPGA芯片在出廠時都是一顆空白的芯片，或者說是一顆半成品的芯片，這顆芯片內部的連線及具體要求需要用戶通過編程來實現，即可以通過編程來更改內部結構的芯片，用戶可根據自己的想法，將一顆FPGA 芯片做成實現具體要求的芯片。對于飛控處理器選型，選用FPGA設計主控，可以發揮其并行計算能力強和高速響應的優勢，最大程度的提高飛控的性能。

2.2 FPGA飛控的無人機控制系統意義

FPGA的飛控應用是一個相對全新的領域，目前大都采用單片機去設計飛控，主流飛控有的不開源，有的開源所使用的語言不利于二次開發。所以本文基于循環芯片Age，基于硬件描述語言所寫的飛控代碼加上FPGA芯片本身在通信領域的優勢，一方面，通信領域需要高速的協議處理，另一方面，通信協議隨時變化，不適合生產專用芯片[4]。這使得能夠靈活改變功能的FPGA芯片成為首選。

3 PS與PL交互

在使用zynq開發板制作系統時，需要考慮PS(Processing System，這里指是ARM)與PL(Progarmmable Logic,這里指FPGA)的交互。PS與PL交互指的是ARM處理器與FPGA在ZYNQ平臺的通信方式。目前主要使用的接口有3種：AXI_LITE、AXI_STREAAM、以及AXI_STANDARD。AXI_lite接口一般用來進行簡單的地址映射性通信。AXI_stream稱為流通信，AXI總線分為5個通道：寫應答通道，包含BVALID(有效),BRES(響應), BREADY(準備)信號；寫數據通道，包含WVALID, WDATA(數據)，WSTRB(選通),WREADY信號；讀數據通道，包含RVALID,RDATA, RREADY, RRESP信號；寫地址通道，包含AWVALID，AWADDR(地址),AWREADY信號；讀地址通道，包含ARVALID,ARADDR, ARREADY信號；處理ps與pl的交互的過程其實就是處理好AXI通信協議的過程，時序圖如圖1所示。一般形象的把AXI協議稱為握手協議。為了建立通信環路，TREADY信號是從設備告訴主設備做好準備，TVALID信號告訴從設備此刻起數據有效；ACLK信號是作為總線時鐘，一般上升沿有效；ARESETn信號是總線復位，低電平有效；TUSER信號是用戶自定義信號，根據需要設置；TSTRB信號為bit數的對應TDATA有效字節數，寬度為TDATA/8。不同于一般傳輸，AXI使用字節做單位，這樣測量此信號方便轉換。TLAST信號說明該次傳輸為突發傳輸結尾，也就是一次傳輸中一個包數據的結束。利用AXI協議傳輸的無人機數據高效并且可效驗，設計中ip封裝選用流接口，滿足了無人機高效快速的需求。

4 FPGA飛控系統構建

雖然FPGA的飛控十分重要，整個系統由飛控、接收機、分電板，電調等部分組成，如圖2所示。整個系統工作方式按照一定的順序，首先遙控器以2.4 GHz傳輸頻率發射控制指令，對碼的接受機收到信號并開始解碼，解碼結果交由飛控從輸入接口傳入，將指令動作傳給相應的飛控輸出、傳給分電板后控制電機做出相應動作。這種正相輸入控制中，由于投放器所使用舵機較大，io口最大電壓只有5 V，無法直接驅動大舵機，因此在中間增加EBC將電壓增大到12 V，但這種設計在以后的測量中也會帶來用電量過大的問題。。第二種負反饋工作模式是在飛控內部各種傳感器配合下進行的，如加速度計，GPS，超聲波、光流計等[5]。在某種姿態模式中(像自穩——自動保持水平)，通過傳感器收集的信息，經由FPGA飛控處理再次輸出到電機端，從而達到調節姿態的作用。

圖1 通訊時序圖

圖2 無人機設計圖

5 結束語

實際模式調節時，無人機一共定義了6種模式，分別是定高，定點，自動返航，無頭模式、運動模式及自穩。此次設計的投放無人機主要應用于求助落水者，快速投放救生，給被困人員投放食物等、以及娛樂生活中的彩片投撒。飛控在實際測試過程中發現了一些問題，如飛控不是很穩定，還有舵機投放器功率太大，耗電加劇，導致飛控電流信號不穩定。后期將考慮優化濾波算法IP核，減小舵機以降低電壓。同時測試中也暴露出載重能力有限的缺點，下一步工作將致力于提高材料強度和減小支架重量。