四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文基于四旋翼飛行器的工作原理和性能特點(diǎn)，給出了飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了姿態(tài)和高度數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)，并基于卡爾曼濾波算法完成了傳感器數(shù)據(jù)融合，設(shè)計(jì)了PID控制器并完成了軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，具有較強(qiáng)的魯棒性。

引言

　　四旋翼飛行器是一種具有6個(gè)自由度和4個(gè)控制輸入的系統(tǒng)，能進(jìn)行垂直起降、懸停、前飛、側(cè)飛和倒飛等運(yùn)動(dòng)。其與直升機(jī)不同之處在于它通過4個(gè)旋翼產(chǎn)生可以相互抵消的反扭力矩，因而不需要專門的反扭矩槳。被廣泛應(yīng)用于無人偵察、森林防火、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、城市巡邏等領(lǐng)域。并且隨著目前發(fā)展?fàn)顩r，四旋翼飛行器主要優(yōu)點(diǎn)有： (1)擁有簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu); (2)飛行姿態(tài)穩(wěn)定。同時(shí)飛行控制系統(tǒng)通過傳感器采集飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制飛行姿態(tài)，可以使飛行器保持平穩(wěn)飛行。相比傳統(tǒng)單旋翼直升飛機(jī)，四旋翼飛行器的飛行更為穩(wěn)定。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 飛行器的原理以及機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　四旋翼飛行器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，四旋翼飛行器的4只旋翼安裝于十字形機(jī)體的4個(gè)頂點(diǎn)位置，分為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(1、3) 和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) (2、4)2組，當(dāng)4只旋翼轉(zhuǎn)速相等時(shí)，相互間抵消反扭力矩;同時(shí)增加或減小4只旋翼的轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)上升或下降運(yùn)動(dòng);當(dāng)1號(hào)與3號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速增加(減小)，2號(hào)和4號(hào)轉(zhuǎn)速不變，飛行器實(shí)現(xiàn)偏航;當(dāng)1號(hào)和3號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速固定，2號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速增加(減小)，4號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速減小(增加)，飛行器實(shí)現(xiàn)向左(向右)飛行;當(dāng)2號(hào)和4號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速固定，1號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速增加(減小)，3號(hào)旋翼轉(zhuǎn)速減小(增加)，飛行器實(shí)現(xiàn)后退(前進(jìn))飛行。

1.2 硬件平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案

　　硬件的選擇對(duì)控制系統(tǒng)的性能有很重要的影響，一個(gè)良好的硬件搭配會(huì)極大地提高控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性等各項(xiàng)性能指標(biāo)。

　　如圖2所示為本次研究所用飛行器的實(shí)際構(gòu)造框圖。由上位機(jī)或遙控手柄接受指令，控制芯片通過超聲波模塊獲取高度信息，再通過MPU6050獲取姿態(tài)信息以及加速度信息，經(jīng)過數(shù)字PID控制器計(jì)算得到控制量，再經(jīng)過控制芯片處理，向電調(diào)發(fā)出對(duì)應(yīng)于控制量的PWM波，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2.1 I²C總線

　　對(duì)MPU6050的控制與數(shù)據(jù)的讀寫主要通過I²C總線形式。I²C構(gòu)造簡(jiǎn)單，僅需要兩根線(SCL時(shí)鐘控制線，SDA數(shù)據(jù)傳輸線)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片的控制與數(shù)據(jù)讀取，并且每個(gè)芯片都有其獨(dú)立的識(shí)別地址。在本實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)MPU6050，且只有它使用的是I²C總線，因此，只需要設(shè)置其工作在從發(fā)送模式即可。

　　對(duì)于STM32F103RBT6單片機(jī)而言，其硬件I²C接口極不穩(wěn)定，容易發(fā)生數(shù)據(jù)錯(cuò)誤和陷入死循環(huán)中，導(dǎo)致程序崩潰跑飛。因此，本實(shí)驗(yàn)通過設(shè)置普通GPIO接口進(jìn)行模擬I²C與MPU6050進(jìn)行通訊。

1.2.2 對(duì)飛行器整體的控制

　　對(duì)飛行器的控制主要有三個(gè)部分。首先是對(duì)無刷直流電機(jī)的控制，在這里主要表現(xiàn)為PWM波的產(chǎn)生與調(diào)節(jié)。另一部分是對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)信息的采集與讀取，以及高度信息的獲取。最后一部分就是如何處理上位機(jī)與遙控手柄發(fā)來的指令，即控制流程如何實(shí)現(xiàn)。

2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 對(duì)無刷直流電機(jī)的控制

　　對(duì)無刷直流電機(jī)的控制主要有兩個(gè)方面，一方面是通過PID算法得到控制量，另一方面是根據(jù)控制量輸出相應(yīng)的PWM波。

　　另外，在對(duì)無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)問題上，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試發(fā)現(xiàn)，首先需要對(duì)電調(diào)輸入最高電壓，電調(diào)對(duì)PWM信號(hào)的識(shí)別需要一段時(shí)間，之后再對(duì)電調(diào)輸入最低電平才能實(shí)現(xiàn)PWM波調(diào)節(jié)范圍的設(shè)定。

2.1.1 基于PID控制器的PWM波控制量的計(jì)算

　　實(shí)際上，信號(hào)的傳遞并不一定是連續(xù)的，比如在本實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)的讀取是根據(jù)控制定時(shí)器決定讀取數(shù)據(jù)時(shí)間間隔的。因此，本設(shè)計(jì)為數(shù)字式PID控制器。

　　在實(shí)際編程中，使用離散型PID控制算法實(shí)現(xiàn)，具體表達(dá)式經(jīng)簡(jiǎn)化表示為：

　　其中AUK為輸出的控制量，KP、KI和KD為PID的三個(gè)參量，但需實(shí)際飛行時(shí)進(jìn)行調(diào)整。EK為設(shè)定值與本次采樣值的差值;EK_1為設(shè)定值與上一次采樣值的差值;EK_2為再上一次的設(shè)定值與采樣值的差值。

　　圖3所示為具體程序流程框圖。其中針對(duì)不同的PID控制器，如俯仰PID控制器與橫滾PID控制器的不同點(diǎn)僅在于“控制量輸出”部分。從控制量到電機(jī)輸入電壓的轉(zhuǎn)化這一部分涉及到控制量的分配問題。因?yàn)獒槍?duì)每一個(gè)控制信號(hào)，以“phi_ctrl_in(橫滾控制輸入)”為例，橫滾角的控制量與2號(hào)電機(jī)和4號(hào)電機(jī)的輸入電壓相關(guān)，即該控制量的大小會(huì)改變兩個(gè)電機(jī)的輸入電壓的大小。因此，一個(gè)控制量的改變會(huì)影響整個(gè)飛行器的飛行姿態(tài)，經(jīng)過反饋后，會(huì)帶動(dòng)其他控制回環(huán)進(jìn)行控制。即這四個(gè)控制量之間的耦合性很高。因此，在這里進(jìn)行控制量分配。

　　經(jīng)過反復(fù)調(diào)試后，得到一組最理想的PID參數(shù)。橫滾角phi控制器PID參數(shù)為：Kp=0.15，Ki=0，Kd=0.02;

　　俯仰角theta控制器參數(shù)： Kp=0.2，Ki=0，Kd=0.03;

　　偏航角psi控制器參數(shù)：Kp=1.1，Ki=0，Kd=0.4;

　　高度height控制器參數(shù)：Kp=6，Ki=0.2，Kd=2;

　　x軸方向加速度PID控制器參數(shù)：Kp=7，Ki=1.0，Kd=0;

　　y軸方向加速度PID控制器參數(shù)：Kp=6，Ki=1.0，Kd=0。

2.1.2 PWM波調(diào)速

　　本實(shí)驗(yàn)所用四旋翼飛行器硬件平臺(tái)采用無刷直流電機(jī)，使用電子調(diào)速器作為驅(qū)動(dòng)模塊。控制的核心方法為向電調(diào)發(fā)出PWM波，通過控制PWM輸出的占空比來改變電機(jī)的控制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。PWM波通過主控芯片產(chǎn)生。本文使用的主控芯片為STM32F103RBT6，它通過配置定時(shí)器工作在PWM模式下，對(duì)于通用的定時(shí)器，可以獨(dú)立地同時(shí)發(fā)出四路PWM波，完全可以滿足本實(shí)驗(yàn)的要求。

　　硬件實(shí)現(xiàn)上，使用定時(shí)器4輸出四路PWM波信號(hào)。使定時(shí)器4工作在復(fù)用模式下，對(duì)應(yīng)的外部端口為：PB6、PB7、PB8和PB9，他們分別連接1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)電機(jī)的信號(hào)控制線。

　　在對(duì)定時(shí)器4的配置上，首先打開定時(shí)器4的時(shí)鐘RCC_APB1Periph_TIM4，以及對(duì)應(yīng)PB端口的時(shí)鐘RCC_APB2Periph_GPIOB。因?yàn)槎〞r(shí)器4為通用定時(shí)器，可進(jìn)行16位自動(dòng)重裝載計(jì)數(shù)。使用的是單片機(jī)的固定頻率72M的時(shí)鐘信號(hào)，但可以通過改變預(yù)分頻寄存器里的值，改變計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率。本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為72-1;設(shè)置波形周期TIM_Period計(jì)數(shù)上限為2000，為向上計(jì)數(shù)模式。配置TIM_OCMode為PWM1模式(即TIM脈沖寬度調(diào)制模式1)，使能四個(gè)比較通道。之后配置輸出端口，將端口設(shè)置為50MHz復(fù)用推挽輸出。最后打開使能定時(shí)周期TIM_Cmd(TIM4, ENABLE)即可開始工作。通過比較TIM_Period中的值與寄存器TIM4_CCRx中的值可以輸出不同占空比的波形。

　　經(jīng)過實(shí)際實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)設(shè)定值為1050以上時(shí)，電調(diào)才能識(shí)別出電壓信號(hào)，即只有當(dāng)占空比大于50%時(shí)，電調(diào)才會(huì)認(rèn)可輸出PWM波信號(hào)。因此，對(duì)電機(jī)的占空比調(diào)節(jié)范圍為：1050/2000~2000/2000;當(dāng)設(shè)定值為1050時(shí)，電機(jī)剛開始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)設(shè)定值為2000時(shí)，電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速。為了防止TIM4_CCRx中的值超過計(jì)數(shù)上限，也為了控制電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，在向TIM4_CCRx寫入轉(zhuǎn)速控制變量前進(jìn)行限幅濾波，使其寫入值始終在可靠范圍內(nèi)。

本文來源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第9期第48頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。