基于MEMS傳感器的微小型飛行器飛行控制系統(tǒng)

翟瑞永，周兆英，張文棟，劉 佳，孫其瑞

(1．太原理工大學(xué)微納系統(tǒng)研究中心，山西太原 030024；2．清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京 100084；3．忻州市供電公司調(diào)度控制中心，山西忻州 034000)

0 引言

微小型無人飛行器小巧輕便、機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、消耗性強(qiáng)，能攜帶載荷執(zhí)行特定任務(wù)，無論在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都是關(guān)注熱點(diǎn)[1-2]。無人飛行器的自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)是無人飛行器系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)無人飛行器的方位確定、控制與導(dǎo)航、指令與數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、按照預(yù)定條件完成指定任務(wù)等[1-4]。

由于微小型無人飛行器體積小、速度低、帶載荷能力差，傳統(tǒng)飛行測控系統(tǒng)不再完全適用[5-6]。MEMS傳感器因其體積小、價(jià)格低、功耗低，在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，基于MEMS傳感器的微小型自動(dòng)駕駛儀相應(yīng)產(chǎn)生。國內(nèi)外眾多研究者對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)研究?；裟犴f爾實(shí)驗(yàn)室的Benjamin和David研發(fā)了基于霍尼韋爾慣性測量單元HG1930的飛行導(dǎo)航系統(tǒng)[7]；日本千葉大學(xué)Farid Kendoul等介紹了一款視覺和慣性單元的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)在GPS失效的情況下可以有效估計(jì)飛行器姿態(tài)，完成起飛、著陸、懸停、目標(biāo)跟蹤等任務(wù)[8]；清華大學(xué)的張福星等設(shè)計(jì)了基于最少傳感器的飛行器測控系統(tǒng)，體積小，質(zhì)量輕，滿足使用要求[9]；中國人民解放軍92537部隊(duì)的陶冶等提出一種小型無人飛行器飛行控制方法專利，通過合理搭配和控制設(shè)計(jì)，適用于小型無人飛行器的預(yù)定軌跡自主飛行控制[10]。

文中介紹了一款自主研發(fā)的基于MEMS傳感器的微小型飛行器飛行控制系統(tǒng)，重點(diǎn)描述了其硬件組成及導(dǎo)航控制算法，并基于現(xiàn)有的微小型固定翼飛行器進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該飛行控制系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕，可以控制無人飛行器飛行軌跡平滑連續(xù)，飛行姿態(tài)穩(wěn)定，飛行高度誤差小，沿軌跡飛行精度高，滿足指定要求。

1 硬件組成

采用MEMS器件設(shè)計(jì)的微小型飛行控制系統(tǒng)，以ARM微處理器LPC2106為核心，外圍包括傳感器模塊、無線傳輸模塊、伺服模塊、GPS模塊、機(jī)載Flash和電源管理模塊，其輸入為接收機(jī)和通訊模塊信號(hào)的輸出，輸出則為舵機(jī)和電子調(diào)速器的輸入。傳感器模塊包括三軸MEMS加速度計(jì)、陀螺儀MPU6000、三軸MEMS磁強(qiáng)計(jì)HMC5843、絕壓傳感器MS5611和差壓傳感器SM5651。傳感器信號(hào)輸出通過數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)街魈幚砥?，進(jìn)行姿態(tài)解算并獲知飛行器的狀態(tài)，數(shù)據(jù)同時(shí)存儲(chǔ)在機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀AT45DB321以備計(jì)算與分析，飛行控制系統(tǒng)通過PWM控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使飛行器沿設(shè)定航線飛行。無線傳輸模塊選用XBee-pro射頻模塊來實(shí)現(xiàn)地面觀測站與飛行控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接。其中，陀螺儀輸出用來增穩(wěn)飛行器，姿態(tài)模塊和GPS模塊共同控制飛行器的姿態(tài)，絕壓傳感器感知飛行氣壓高度，差壓傳感器得到飛行速度，GPS接收機(jī)獲得飛行器的航向和位置。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 飛行控制系統(tǒng)框圖

2 導(dǎo)航算法

微小型無人飛行器執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，由地面站獲取任務(wù)航線。航線通常由一系列導(dǎo)航點(diǎn)組成，并定義了在航線上每一點(diǎn)期望的水平位置和高度。水平方向的航跡跟蹤由橫向回路完成，高度跟蹤和空速穩(wěn)定由縱向回路完成。對(duì)于飛翼式的微小型飛行器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為左升降副翼、右升降副翼和油門。其左右升降副翼的輸出量可認(rèn)為由縱向回路的升降舵輸出和橫向回路的副翼輸出合成而成。導(dǎo)航控制算法總體框圖如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航控制算法框圖

2．1 縱向控制

縱向控制實(shí)際是高度控制。MEMS絕壓傳感器根據(jù)氣壓值測得飛行器高度信息，經(jīng)過高度控制器(PID調(diào)節(jié)器)控制舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)高度保持或變高飛行。MEMS高度計(jì)測量的高度差信息輸入俯仰角控制系統(tǒng)，用來改變飛行器俯仰傾斜角，控制飛行器升降，直至高度差為零，飛行器達(dá)到預(yù)定的高度為止。

基本的高度穩(wěn)定系統(tǒng)控制如下：

(1)

式中：uH為俯仰角控制量；H為當(dāng)前飛行高度；H0為指定飛行高度；KDH，KPH，KIH為對(duì)應(yīng)控制系數(shù)。

高度控制中，難點(diǎn)在于變高控制，由于此時(shí)高度誤差較大，高度控制與俯仰方向的增穩(wěn)控制互相耦合，所以依靠單純的PID控制不夠，必須考慮到控制的平穩(wěn)，進(jìn)行縱向高度控制時(shí)，一般要適當(dāng)加大俯仰方向的增穩(wěn)控制系數(shù)。

2．2 空速控制

高度控制算法一般可以很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高度保持控制，但是并不適用大幅度的變高控制。如控制飛行器高度爬升時(shí)，會(huì)出現(xiàn)爬升緩慢的情況；而控制飛行器高度下降時(shí)，則易出現(xiàn)俯沖的情況。單純的依靠對(duì)俯仰角的控制不能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)飛行器的變高控制，需要配合對(duì)油門的控制。

下面通過能量守恒定律分析油門控制過程。將微小型飛行器看作質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)量為m，設(shè)其高度為H，以速度v進(jìn)行穩(wěn)定飛行，則其總能量Q為：

(2)

式中：QV為飛行器的動(dòng)能；QH為勢能。

當(dāng)飛行器爬升時(shí)，其勢能增加，動(dòng)能減少，飛行器的速度降低，因此，為了保持同樣的動(dòng)能必須增加飛行器的飛行速度，增大油門。當(dāng)飛行器高度下降時(shí)，其勢能減少，動(dòng)能增加，表現(xiàn)為飛行器的速度增大，為了保持同樣的動(dòng)能必須減小飛行器的飛行速度，需要減小油門。

2．3 橫向控制

橫向控制采用航線導(dǎo)航控制方法，兩個(gè)控制量分別為：航向角和航偏距。假設(shè)航線設(shè)定為從A1到A2，其控制偏差定義如圖3中的θ和d，控制的目標(biāo)就是讓二者趨向于0，使微小型飛行器在指定的航線上飛行。

導(dǎo)航控制采用PD控制，同時(shí)控制航偏角和航偏距。其控制算法如下：

(3)

式中：uc為期望的滾轉(zhuǎn)角；θ為航偏角；d為航偏距；KPθ，KDθ，ΚPd，KDd為對(duì)應(yīng)的控制系數(shù)。

導(dǎo)航控制與高度控制一樣，單純的PID控制不夠，必須進(jìn)行導(dǎo)航策略和特殊情況的判斷。對(duì)控制量輸出進(jìn)行限幅，保證最大控制舵量處于安全范圍之內(nèi)；航偏角或航偏距中某個(gè)誤差過大時(shí)，需優(yōu)先進(jìn)行校正。

3 飛行實(shí)驗(yàn)

文中研發(fā)了基于MEMS傳感器的微小型飛行器飛行控制系統(tǒng)，并在清華大學(xué)自主研發(fā)的微小型飛行器上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。該飛行控制系統(tǒng)硬件實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，其大小為6×5×2 cm3，僅重24 g.該系統(tǒng)使用的載體飛行器為TMAV-380型無人飛行器，如圖4(b)所示，其采用飛翼式布局，升降舵與副翼合為一體未配置方向舵，翼展為380 mm，總重量約為0．5 kg，使用無刷電機(jī)為動(dòng)力，無線模塊用于地面站與飛行器間數(shù)據(jù)指令傳輸?？刂茍?zhí)行機(jī)構(gòu)為升降左右副翼和油門。試驗(yàn)中微小型飛行器穩(wěn)定飛行時(shí)的飛行速度約為22 m/s.內(nèi)環(huán)的滾轉(zhuǎn)角控制回路帶寬為2～3 rad/s，GPS的時(shí)間延時(shí)約為0．4 s.該飛行實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)航信息估計(jì)模塊的輸出頻率為4Hz.

(a) 自動(dòng)駕駛儀

(b) TMAV-380微小型飛行器圖4 自主研發(fā)的飛行控制系統(tǒng)

驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行了四航點(diǎn)間逆時(shí)針飛行測試，四航點(diǎn)組成一個(gè)正方形飛行路線，各航點(diǎn)之間的距離約為150 m，期望飛行高度為90 m，微小型飛行器起飛后自主飛行到目標(biāo)航路點(diǎn)，并依次通過其余航點(diǎn)重復(fù)飛行幾次順利返回。以出發(fā)點(diǎn)作為原點(diǎn)，定義當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系，飛行器在該坐標(biāo)系下的實(shí)際飛行軌跡如圖5所示，為了檢驗(yàn)航跡跟蹤系統(tǒng)的性能重復(fù)性，飛行器進(jìn)行了多次往返飛行，由圖5可知，在飛行過程中，自動(dòng)駕駛儀記錄的導(dǎo)航信息平滑連續(xù)，飛行器飛行過程平穩(wěn)，重復(fù)性良好。航跡跟蹤系統(tǒng)有較好的動(dòng)態(tài)特性，幾乎沒有超調(diào)，跟蹤誤差在30 m以內(nèi)，航跡跟蹤的阻尼特性和穩(wěn)態(tài)誤差也可滿足任務(wù)需求。

圖5 飛行實(shí)驗(yàn)軌跡圖

飛行高度曲線如圖6所示，其中短虛線為期望的飛行高度，實(shí)線為飛行器實(shí)際的飛行高度曲線，采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔為0．25 s，從圖6可見高度誤差90%以上在±10 m范圍，滿足對(duì)飛行高度的控制要求。

對(duì)微小型飛行器航跡跟蹤效果的實(shí)驗(yàn)研究表明，文中的飛行控制系統(tǒng)方案可以控制微小型飛行器完成航跡跟蹤任務(wù)，采用這一技術(shù)可使飛行器執(zhí)行任務(wù)時(shí)飛行平穩(wěn)，高度穩(wěn)定誤差小，航跡控制精度較高，能夠滿足日常巡檢巡查任務(wù)要求。

圖6 飛行實(shí)驗(yàn)高度曲線圖

4 結(jié)束語

基于MEMS傳感器設(shè)計(jì)的適用于微小型固定翼無人飛行器的飛行控制系統(tǒng)，采用模塊化與高集成度設(shè)計(jì)，體積小、質(zhì)量輕，其導(dǎo)航控制算法能夠控制無人飛行器在指定空速、高度和橫向誤差下穩(wěn)定飛行，并在自主研發(fā)的微小型飛行器上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該飛行控制系統(tǒng)在控制高度保持和水平航跡跟蹤方面，具有較好的動(dòng)態(tài)特性，滿足指定的誤差指標(biāo)要求，可以完成微小型飛行器巡檢巡查的飛行任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] LUO Y，CHAO H，DI L，et al．Lateral directional fractional order (PI)α control of a small fixed-wing unmanned aerial vehicles：controller designs and flight tests．IET Control Theory Appl．，2011，5(18)：2156-2167．

[2] FU X，ZHOU Z Y，XIONG W，et al．MEMS-based low-cost flight control system for small UAVs．Tsinghua Science and Technology，2008，5(13)：614-618．

[3] GALINSKI C，ZBIKOWSKI R．Some problems of micro air vehicles development．Bulletin of the Polish Academy of Sciences：Technical Sciences，2007，55(1)：91-98．

[4] REN W．On constrained nonlinear tracking control of a small fixed-wing UAV．J Intell Robot Syst，2007，48：525-537．

[5] 談黎，賈培發(fā)．微小型直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)研究．制造業(yè)自動(dòng)化，2006，28(7)：23-27．

[6] 劉亞威，黃?。⑿凸潭ㄒ盹w行器的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)研究．航空兵器，2008(1)：11-16．

[7] MOHR B B，F(xiàn)ITZPATRICK D L．IEEE/ION Position，Location，and Navigation Symposium，Coronado，2006．

[8] KENDOUL F，NONAMI K．A visual navigation system for autonomous flight of micro air vehicles．The 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems，St．Louis，USA，2009．

[9] 張福星，朱榮，劉旭東，等．基于MEMS 技術(shù)的微型飛行器測控系統(tǒng)研究．儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29(4)：59-62．

[10] 陶冶，袁書明，陳華清，等．一種小型無人機(jī)飛行控制方法：中國，201110355161．9．2012-06-20．