可在多險(xiǎn)環(huán)境下執(zhí)行多種探測(cè)任務(wù)的飛行器*

黃慶旺 張 俊 方勇剛 方 倪 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

可在多險(xiǎn)環(huán)境下執(zhí)行多種探測(cè)任務(wù)的飛行器*

黃慶旺 張 俊 方勇剛 方 倪 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

隨著科技快速發(fā)展，人們對(duì)在各種險(xiǎn)境狀況下的緊急探測(cè)、快速搜救行動(dòng)越來越重視.然而實(shí)踐中怎么能夠在最快的時(shí)間內(nèi)到達(dá)險(xiǎn)惡環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)是解決問題的難點(diǎn)之一，為此，四旋翼飛行器由于其靈活、方便、易控等優(yōu)點(diǎn)成為解決該難點(diǎn)的優(yōu)先方案之一.結(jié)合四旋翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)與嵌入式智能控制技術(shù)，嘗試制作了可在多險(xiǎn)環(huán)境下執(zhí)行多種環(huán)境探測(cè)任務(wù)的飛行器，并對(duì)設(shè)計(jì)方案、探測(cè)環(huán)境因數(shù)等相關(guān)問題進(jìn)行了探討，希望對(duì)大家有所幫助.

多險(xiǎn)環(huán)境 環(huán)境因數(shù) 探測(cè) AHRS

1 探測(cè)飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

探測(cè)飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)由兩大部分組成，如圖1 所示.第一部分由飛行器及其飛控系統(tǒng)組成，其主要作用負(fù)責(zé)飛行器的姿態(tài)糾正與航向控制以及數(shù)據(jù)通信，其中，飛行器采用碳纖維材料作為機(jī)身結(jié)構(gòu)，不僅減輕了飛行器重量，保證了飛行器的機(jī)身強(qiáng)度，同時(shí)他大大加強(qiáng)了飛行器的續(xù)航能力；第二部分是由溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓傳感器、光強(qiáng)計(jì)構(gòu)成的傳感器組，負(fù)責(zé)探測(cè)任務(wù)，探測(cè)到的數(shù)據(jù)可返回到終端設(shè)備，本系統(tǒng)采用的是全雙工藍(lán)牙通信，保證了信息通信的及時(shí)性與效率.本系統(tǒng)各部分分工合作，相輔相成.

3 飛行器姿態(tài)控制問題的解決

四軸飛行器具有非線性、不穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，所以如何對(duì)其進(jìn)行有效的姿態(tài)控制是我們研究的核心問題.飛行器采用了MMA8451加速度計(jì)、L3G4200D角速度傳感器(陀螺儀)、HMC5883L磁力計(jì).該3個(gè)傳感器組成飛行器的“AHRS航向參考系統(tǒng)”，該傳感器組系統(tǒng)的主要任務(wù)是為機(jī)身歐拉角的解算提供精確的“數(shù)據(jù)反饋”，以便讓飛機(jī)處于理想的飛控姿態(tài)；同時(shí)機(jī)身下方搭載的高精度超聲波陣列可以為飛行器的定高提供精確的高度反饋，通過IIC通信方式對(duì)上述傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，通過四元數(shù)解算與磁場(chǎng)補(bǔ)償以及卡爾曼濾波得出飛行器的實(shí)時(shí)航向角、歐拉角、與橫滾角，再經(jīng)過串級(jí)PID對(duì)飛行器的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)糾正，以達(dá)到穩(wěn)定控制飛行器飛行的目的.但在實(shí)際應(yīng)用過程中我們發(fā)現(xiàn)姿態(tài)傳感器會(huì)存在“溫漂”的問題，導(dǎo)致機(jī)身姿態(tài)解算發(fā)生較大的誤差，經(jīng)過多種方案的對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)在“初始化傳感器的時(shí)候進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的空采集然后進(jìn)行‘去零處理’和一系列補(bǔ)償”這種方案，效果明顯且較為容易通過軟件算法實(shí)現(xiàn).

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 傳感器軟件設(shè)計(jì)

如圖2所示，在本飛行器的機(jī)身上主要包括組成AHRS航向參考系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器與探測(cè)多險(xiǎn)環(huán)境因數(shù)的多種環(huán)境傳感器.考慮到MCU內(nèi)部集成了IIC模塊，因此在該系統(tǒng)中采取了IIC總線的通信方式，每個(gè)傳感器都具有自己特定的地址碼，因此可以按照標(biāo)準(zhǔn)的IIC通信時(shí)序?qū)μ囟ǖ膫鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫.考慮到系統(tǒng)的時(shí)效性同時(shí)又兼顧MPU與傳感器通信的穩(wěn)定性，通過多次理論計(jì)算與實(shí)現(xiàn)模擬，最終我們確定，當(dāng)IIC的采樣頻率為100 kHz時(shí)大致能滿足我們的要求.在控制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中我們借鑒了Ucos-ii實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中時(shí)間片的概念，將“傳感器讀寫操作”“姿態(tài)解算”“PID控制環(huán)節(jié)”等功能模塊在一個(gè)固定周期里分時(shí)分片單獨(dú)進(jìn)行,以確保各個(gè)功能模塊之間不會(huì)出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象，使各個(gè)功能模塊充分發(fā)揮自己的作用.

圖2 程序流程框圖

4.2 姿態(tài)與航向控制軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行MCU初始化的時(shí)候我們會(huì)設(shè)定一個(gè)特定的控制節(jié)點(diǎn)以控制飛行器的航向與飛行器的姿態(tài)糾正，通過將采集回來的姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出當(dāng)前飛行器的姿態(tài)，計(jì)算出當(dāng)前姿態(tài)與目標(biāo)姿態(tài)之間的偏差，然后通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速以達(dá)到糾正飛機(jī)當(dāng)前姿態(tài)的目的.在此過程中需要進(jìn)行龐大的數(shù)學(xué)計(jì)算，其中最主要的計(jì)算過程便是姿態(tài)解算過程，常用的姿態(tài)解算包括運(yùn)動(dòng)傳感器自帶的庫功能“DMP”，與“四元數(shù)解算”，為了縮短控制節(jié)點(diǎn)的周期與響應(yīng)時(shí)間，我們選用了四元數(shù)解算方案,同時(shí)結(jié)合“卡爾曼濾波”使控制盡量平滑；由于該飛行器的姿態(tài)轉(zhuǎn)變并非一個(gè)線性過程，現(xiàn)代學(xué)者認(rèn)為，四軸飛行器通?？梢院?jiǎn)化為一個(gè)“二階阻尼系統(tǒng)”，故開環(huán)控制不能滿足我們精準(zhǔn)控制飛行器姿態(tài)的要求，經(jīng)過多種控制方案的論證與實(shí)踐，我們最終采用了“串級(jí)PID”作為飛控的主要算法，內(nèi)環(huán)為PID控制，外環(huán)為PI控制，串級(jí)PID中，外環(huán)輸入反饋是角度數(shù)據(jù)，內(nèi)環(huán)輸入反饋是角速度數(shù)據(jù)，通俗來講，內(nèi)環(huán)就是“控制系統(tǒng)”希望將飛行器以多少度每秒的速度運(yùn)動(dòng)，然后通過“PID輸出量”糾正過來，外環(huán)就是根據(jù)角度偏差告訴內(nèi)環(huán)，你該以多少度每秒運(yùn)動(dòng).這樣，即使外環(huán)數(shù)據(jù)劇烈變化，飛行器的飛行效果也不會(huì)顯得很僵硬.

5 結(jié)束語

四軸飛行器作為當(dāng)下最熱門的一種飛行器，已經(jīng)在軍事、搶險(xiǎn)、娛樂、拍攝等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)其無法取代的地位，已經(jīng)越來越受到廣大電子愛好者和科技型公司的關(guān)注，從高空視頻錄制、地理地形探測(cè)，甚至到車輛違章拍攝，都有它活躍的身影.而我們對(duì)它進(jìn)行了探測(cè)能力的改造，使它能夠在多險(xiǎn)環(huán)境下執(zhí)行多種探測(cè)任務(wù)，通過大量的“參數(shù)調(diào)試”與“仿真模擬”，該飛行器的抗干擾能力以及機(jī)動(dòng)能力均能達(dá)到預(yù)期的要求，通過該飛行器的輔助在一定程度上能減小搜救人員的搜救風(fēng)險(xiǎn)，降低搜救成本，提高搜救效率，為處于險(xiǎn)境中的人們?cè)鎏硪环莴@救的希望.

1 黃志球,徐丙鳳,闞雙龍,等. 嵌入式機(jī)載軟件安全性分析標(biāo)準(zhǔn)、方法及工具研究綜述. 軟件學(xué)報(bào),2014(02):200～218

2 李俊,李運(yùn)堂. 四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模及PID控制. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012(01):114～117

3 米培良. 四旋翼飛行器控制與實(shí)現(xiàn):[學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué),2015

4 杜杉杉,吳昊,張繼文,等. 一種面向AHRS的改進(jìn)互補(bǔ)濾波融合算法. 國外電子測(cè)量技術(shù),2015(03):13～18

*湖北文理學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：201610519059

胡安正(1965- )，男，博士，教授，主要從事電子信息科學(xué)與技術(shù)教學(xué)和電子信息工程方面的研究.

2017-01-15)