旋翼無人機復雜地形自動平衡著陸架的設計

劉鋼

(空軍航空大學航空基礎學院基礎部,吉林 長春 130022)

1 概述

目前,無人機或無人飛行器應用越來越廣泛,主要應用于航拍、航空偵察、目標跟蹤、火情預警、噴灑農藥等等。無人機基本采用的都是固定支架作為著陸架,但這種著陸架對著陸地面要求比較高,需要地面平坦,傾斜角度小。而對于一些著陸地面凸凹不平或有臺階,或傾角較大,要想保持無人機機身水平,保證視頻質量不受影響是十分困難的。這就要求我們的著陸架可以根據地形進行適當調整,或針對顛簸的甲板進行實時調整,以保證機身的水平,保證視頻質量不受影響。

2 系統設計

2.1 系統總體設計

系統總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統總體結構框圖

該系統CPU 選擇了STM32F103 系統板,首先在無人機降落時接近降落面100cm 時啟動對降落面地形的檢測,主要是通過超聲波測距模塊對四個著陸點進行距離檢測,根據地形的不同來調整著陸架的四個著陸腿,使其四個著陸腿到著陸點的距離始終保持一致,主要CPU 通過控制舵機驅動模塊來控制8 個舵機來實現。著陸過程中始終要保持機身水平,逐漸著陸。當著陸后,通過MPU6050 模塊檢測出機身固定架平面與各軸的夾角,通過PID 算法來繼續調整著陸腿舵機,使機身固定架,也就是無人機機身保持水平。[1-2]

圖2 為自動平衡著陸架機械結構示意圖。

圖2 自動平衡著陸架機械結構示意圖

自動平衡著陸架主要由機身固定架和四個著陸腿構成,機身固定架用于固定無人機,著陸腿根據著陸點的不同,由8 個舵機來調節著陸腿的不同角度,在調節過程中盡量使下方著陸腿與機身固定架平面垂直,也就是保證超聲波模塊發射超聲波方向能垂直向下。

2.2 系統各模塊選擇

2.2.1 CPU 的選擇[3-4]

圖3 模糊參數自適應PID 控制原理框圖

圖4 仿真曲線圖

CPU 選擇了STM32F103 系統板,其采用的是Cortex-M3 內核,該內核采用ARM V7 構架。工作頻率最高可達到36MHz,1個12 位模數轉換器,80 個I/O 端口,3 個16 位定時器,7 個通信接口,基于以上優越的性能,所以選擇了該系統板。

2.2.2 超聲波模塊的選擇

超聲波測距主要利用的是超聲波模塊發出超聲波,遇到障礙物返回,測量出發出超聲波與接收到回波的時差,就可通過以下公式計算出超聲波模塊到障礙物的距離。

測距的公式表示為：L = c ×(T/2)

式中L 為測量的距離；c 為超聲波在空氣中的傳播速度；T為發出超聲波與接收到回波的時差。(已知超聲波速度c=340m/s(20℃室溫))。

超聲波測距模塊選擇HC-SR04,測距范圍為2cm-400cm,測量精度可達3mm,模塊包括超聲波發射器、接收器和控制電路。

2.2.3 三軸角度傳感器的選擇[5]

MPU-6000(6050)的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000 與±2000°/sec (dps),可準確追蹤快速與慢速動作,并且,用戶可編程控制的加速器感測范圍為±2g、±4g±8g 與±16g。傳輸數據可通過最高至400kHz 的I2C 接口。

2.3 模糊參數自適應PID 控制算法

如圖3 是控制原理框圖。該算法可根據誤差及其變化率來計算比例、積分微分常數,既滿足系統調節的快速性,又能避免較大的超調量。

該算法在計算比例、積分、微分常數規則是偏差較大時,根據模糊規則選取較大的比例系數,較小的微分常數和較大的積分常數；偏差中等時,選取適中的比例系數,較小的微分常數和適中的積分常數；偏差較小時,比例選取較小的比例系數,適大的積分常數,微分常數在誤差變化量大時要小些,反之則大些。

3 模糊參數自適應PID 算法仿真實驗與總結

系統的仿真曲線如圖4 所示。從圖中可以看出,采用參數自適應PID 控制算法(曲線2)比基本PID 控制算法(曲線1)的系統超調明顯減小,最大超調量由原來的25%降低到4%,同時調節時間大大縮短,由原來的23ms 降低到12ms,從而全面地改善了系統的動態性能。