自主巡航四旋翼無人機電氣控制系統設計研究

竇巧玲

摘?要：將四旋翼無人機用于電力巡檢和航拍巡查等工作中，有利于發揮設備的自主巡航功能，提高巡航效率，強化對設備的自動化控制。對于無人機的電氣控制單元，需合理進行硬件方案的設計，科學選擇攝像頭、傳感器、CPU芯片等裝置，同時采用多種算法完成系統的性能測試與調試，完善電氣控制系統的優化設計，并驗證該方案的可行性。

關鍵詞：自主巡航;四旋翼無人機;電氣控制;系統設計

引言：近年來四旋翼無人機飛行技術始終是航空領域的熱點內容，該技術在偵察營救、數據采集、地質林業勘探、森林防火以及病蟲害防治中發揮著舉足輕重的作用。憑借著自主巡航的使用功能，四旋翼無人機在各個領域的應用前景廣闊，但是具體的控制功能卻存在差異，且巡航方式也有所不同，通過對無人機電氣控制系統的設計分析，可從中掌握巡航功能的具體情況。

1.系統設計方案

隨著無人機技術在各個行業與領域的廣泛應用，無人機的自主巡航功能獲得人們的廣泛關注。無人機系統主要包含地面站與無人機兩部分，雙方在通信鏈路的作用下保持通信。無人機能夠將實時飛行數據傳輸給地面站，同時地面站會向無人機發送控制指令。自動巡航飛行實際上就是經過地面站來設置航點，再由地面站將各個航點的信息傳輸給無人機，無人機依據提前設定的路線完成飛行任務，將實時圖像傳回地面站。當前四旋翼無人機自動巡航技術已經成熟的應用于電力巡檢、航拍測量以及交通巡查等方面，無人機能夠代替人工巡航造成的成本浪費，節約時間的同時可以提升巡航精確度[1]。

為了提升無人機對于位置與速度的控制精度，采取相應的硬件設計方案。圖1為系統的整體硬件設計情況，其中OV7620代表的是系統的攝像頭部分，具有較好的巡線功能;MHC58831代表的是磁力計部分，能夠對無人機的運行方向進行自動識別，通過方向控制與調整完成無人機的自主巡航任務;KS103指的是波傳感器，可以檢測當前無人機的飛行高度，為垂直高度的閉環式控制提供科學參考依據;MPU6050指的是傳感器模塊，能夠完成對無人機自動巡航偏差和加速度等數據的快速輸出，從中獲取無人機高度與經緯度數據偏差值，為接下來的無人機自主巡航飛行控制奠定基礎。無人機的主控制器以STM32F405ZGT6芯片作為核心裝置，芯片是32位CPU，在數據計算與處理方面應用突出，可對傳感器檢測到的實時數據進行傳輸，再經過數字濾波與無人機飛行姿態的融合處理，主控制器可以輸出PWM信號，以此用于對無刷電機的有效控制，加強對飛行器姿態和高度的實時調控，采用閉環式控制模式實現設備自動巡航。

2.無人機電氣控制系統設計要點

2.1四元素姿態融合算法的應用

正常情況下，人們使用的導航系統主要有“地理”和“載體”兩個坐標系，這兩個坐標系可以經過四元素完成轉化，并對坐標系完成標定與修正。陀螺儀在積分中容易出現誤差累計現象，所以四旋翼無人機在電氣控制系統設計時應對俯仰角采取融合算法，比如6軸互補濾波算法，再以加速度修正陀螺儀來調整俯仰角的估算角度，明確陀螺儀的實際輸出量，并達到無人機飛行姿態調整的目的。四元素姿態融合算法應用時，先經過算法的初始化計算，對加速度計數值進行歸一化處理，隨后經過加速度的誤差計算與陀螺儀的修正，及時更新四元數，完成四元數的歸一化，根據無人機當前運行的實際情況計算姿態歐拉角，最終即可實現坐標系的標定[2]。

2.2姿態平衡控制算法的應用

分析無人機在姿態控制方面的精度問題，采取PID控制算法達到姿態控制的目的。該算法應用過程中，以主控制變量作為角度，以副被控變量作為角速度，因副回路的作用突出校正效果，將干擾的影響降到最低。采用PID控制算法之后，串級控制系統當中，主回路與副回路分別為定值控制系統和隨動控制系統，其中主調節器可以按照操作條件和當前負荷的實際變化，對調節器給定值做出有效校正，使無人機能夠在已經給定的目標姿態下做出快速響應，使系統的角度控制效果顯著提升。

對無人機進行姿態平衡測試，先調節內環角的速度環，基于單軸調節原理，將PID角速度的內環值設置為0，對軸進行一定程度的擾動測試，因角速度環為0，此時軸的速度不會變化，隨著擾動的產生，手部能夠感受到反抗力矩，撤除擾動影響之后，軸不會有超調現象，角度也不會發生振蕩。完成了角速度的內環調試后，還需加各個軸的角度換，輸入相關數值，以較小的油門查看無人機四軸飛行過程中的穩定，根據具體情況做好參數的調整，直到達到預期要求。

2.3定高控制算法的應用

無人機飛行期間會存在高度上的改變，如果不做好無人機飛行高度的有效控制，無人機的自主巡航功能將有可能受到影響，甚至無法達到預期任務要求。加強對無人機定高控制，使用超聲波傳感器，憑借設備的精度與速度進行無人機當前飛行高度的檢測分析，再根據傳感器提供的數據完成飛行器位置控制。關于姿態控制方案的設計，使用串級控制克服副回路擾動問題，飛行器定高能夠控制高度與速度等參數，防止飛行器在工作期間出現突變。串級控制模式下，飛行器在垂直方向上的加速度可作為副回路控制量。本方案當中共有三個控制回路串聯，分別為高度、速度以及加速度控制環。

2.4巡航控制算法的應用

無人機運行期間，電氣控制系統中的巡航控制就是在第一時間獲得巡航路線，依據路線發出控制命令，以此達到無人機自主巡航的目的。自主巡航的控制算法類似于上文提到的定高控制算法，采取三環路串級控制方式，攝像頭可以提供位置環的控制量，加速度提供相應控制量，航線的提取需要將兩個中心點連接在一起，通過點之間的比較來計算偏差，再取平均值即可。

總結：總而言之，具有自主巡航功能的四旋翼無人機在運行過程中，其電氣控制系統以芯片為核心處理器，應用帶有光電傳感器的攝像頭獲得引導線信息。使用PID控制算法完成對無人機高度與方向、姿態的有效控制，從而達到自主巡航的目的。

參考文獻：

[1]樊寶安，曾桂根.四旋翼無人機巡航飛行模式下的自主避障方案設計[J].電子設計工程，2020，28（02）：180-184.

[2]袁粵楊，周子寒.無人機自主巡航與信息目標偵測打擊[J].科技風，2019（32）：11.785FB949-08A6-471D-8783-37112E228E33