四旋翼無人機(jī)自主飛行控制的設(shè)計和應(yīng)用

彭塵雨

摘 要：旋翼無人機(jī)目前廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，應(yīng)用價值較高，不過自主飛行控制設(shè)計難度較大。該文對四旋翼無人機(jī)自主分型控制設(shè)計中的重難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并選擇整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)模型建立和系留試驗(yàn)三個程序簡要分析了飛行控制的設(shè)計與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：翼無人機(jī) 飛行控制 系留試驗(yàn)

中圖分類號：V249 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0073-01

四旋翼無人飛行器是目前廣泛應(yīng)用于偵查、監(jiān)視、通信、搜救、巡邏、航拍等領(lǐng)域的重要器具，擁有多重優(yōu)勢和廣闊應(yīng)用前景，目前無論是軍用還是民用都有較高價值。這種飛行器以十字形交叉結(jié)構(gòu)確保穩(wěn)定性、平衡性，實(shí)現(xiàn)精確飛行，具有強(qiáng)耦合、多變量、欠驅(qū)動、非線性等復(fù)雜特征，所以自主飛行控制設(shè)計難度較大，廣泛涉及空氣動力學(xué)、材料工程和自主飛行控制等多個領(lǐng)域。下面我們對四旋翼無人機(jī)自主飛行的控制設(shè)計和應(yīng)用做簡要分析。

1 四旋翼無人機(jī)飛行控制設(shè)計重點(diǎn)

四旋翼無人飛行機(jī)主要是通過控制其四個旋翼達(dá)到飛行控制的目的，控制設(shè)計的關(guān)鍵集中在飛行控制和導(dǎo)航兩個問題上。

在控制設(shè)計中，重點(diǎn)主要為精確建模、欠驅(qū)動系統(tǒng)的控制和平衡控制。由于四旋翼模型本身具有不確定性，在飛行中易受多種因素影響干擾平衡控制，比如地球重力、空氣阻力等因素都會干擾氣動性能參數(shù)的影響，所以精確建模難度較大[1]。此外，在無人機(jī)載荷改變時、改用液態(tài)燃料做動力源時都會導(dǎo)致模型質(zhì)量發(fā)生變化，這種質(zhì)量上的變化也會增加精確建模的難度。欠驅(qū)動系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合、多變量和非線性特征，比起一般全驅(qū)動系統(tǒng)控制難度大，所以設(shè)計難度也較高。四旋翼無人機(jī)本身體積小、載荷固定，需搭載傳感器，質(zhì)量上的變化直接影響了精確數(shù)據(jù)的獲取，對系統(tǒng)穩(wěn)定控制提出高難度挑戰(zhàn)。從目前四旋翼無人機(jī)自主飛行控制發(fā)展路程來看，不少技術(shù)問題已經(jīng)可以憑借微電子技術(shù)和納米技術(shù)予以解決，但是更多的問題還有漫長的研究實(shí)踐路程要走，所以，只有最大限度的不斷加強(qiáng)研究探索，才能始終走在科技前沿，實(shí)現(xiàn)無人飛行器的實(shí)用化，在探索實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)技術(shù)和理論的升級，服務(wù)控制設(shè)計[2]。

2 四旋翼無人機(jī)自主飛行控制設(shè)計

四旋翼無人機(jī)自主分型控制設(shè)計主要包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、建立動力學(xué)模型、處理飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)、控制算法仿真與系留試驗(yàn)幾個環(huán)節(jié)，下面我們選取其中兩個環(huán)節(jié)做應(yīng)用分析。

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自主飛行控制系統(tǒng)主要包括機(jī)載和地面兩大部分，二者控制邏輯互相關(guān)聯(lián)、物理獨(dú)立，飛行控制系統(tǒng)主要由通信模塊、地面控制模塊、飛行控制模塊和傳感器模塊等構(gòu)成。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架來看，傳感器模塊是重要構(gòu)成部分，負(fù)責(zé)飛行參數(shù)的測量，具體包括羅盤、陀螺儀、高速與速度傳感器等。四電機(jī)控制模塊通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速、無刷直流電機(jī)等控制飛行狀態(tài)，促使其達(dá)到預(yù)期姿態(tài)和位置。飛行控制模塊作為核心部分，對采集姿態(tài)信息和數(shù)據(jù)完成復(fù)雜運(yùn)算處理從而發(fā)送合理控制指令，轉(zhuǎn)化為控制信號驅(qū)動四電機(jī)工作，保持飛行穩(wěn)定性。通信模塊通過遙控設(shè)備與地面建立控制，控制飛行器的運(yùn)動，保持穩(wěn)定飛行時的實(shí)時受控。電源模型主要為飛行提供電力。四旋翼無人機(jī)的飛行還要嚴(yán)格遵照規(guī)劃設(shè)計指標(biāo)，控制體積、有效載荷、飛行半徑及航向姿態(tài)、俯仰姿態(tài)、橫滾姿態(tài)的精度與誤差控制，這些都涉及到飛行器的設(shè)計，還必須兼顧性價比。飛行器的穩(wěn)定性是重要指標(biāo)，所以減震措施必不可少，通過控制輸出波動達(dá)到減震效果。安全方面，還要設(shè)置安全隔離和紅外傳感器達(dá)到安全控制與飛行效果。

硬件設(shè)計方面，控制單元選擇可選用stm32芯片作為飛行控制器，其技術(shù)較為成熟，運(yùn)算能力強(qiáng)，可很好的實(shí)現(xiàn)控制算法的植入，運(yùn)行效率佳，數(shù)據(jù)控制器可選用XE166FM-72F單片機(jī)，控制電路的設(shè)計必須兼顧多種功能。無刷電機(jī)驅(qū)動可選用POWERMOSFET控制，提升輸出精度，降低編程難度。傳感器方面無線模塊可選用APC-220無線串口通信模塊，實(shí)現(xiàn)一對多通信，配合433 MHz數(shù)據(jù)傳輸模塊可實(shí)現(xiàn)微功率高效傳輸，提升抗干擾能力和靈敏度。至于遙控設(shè)備可選用天地飛WFT06II高速6通道遙控設(shè)備，提升操作敏捷度。姿態(tài)數(shù)據(jù)傳感器可選用MMA7260型號，ENC-03型號構(gòu)成的陀螺儀，動力螺旋槳可選用新西達(dá)9050和1045規(guī)格。

飛行軟件的設(shè)計需要編寫控制算法，考慮到穩(wěn)定飛行需求，算法選用小擾動性自適應(yīng)PID控制算法?？紤]到以上使用的材料，應(yīng)用軟件分析設(shè)計流程，完成飛行控制、控制執(zhí)行、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)讀取等設(shè)計任務(wù)。比如飛行控制程序流程，要細(xì)化控制流程并處理外部傳感器對環(huán)境及姿態(tài)數(shù)據(jù)的處理。

飛行器平臺的構(gòu)成以四個旋槳為主，增加升力、提升有效載荷的同時利于解決結(jié)構(gòu)控制量較多的問題。飛行姿態(tài)與位置的控制依靠四個無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速改變實(shí)現(xiàn)，這種欠驅(qū)動系統(tǒng)通過變化輸入力達(dá)到控制六自由度運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)和靜態(tài)條件下飛行，輸入力的穩(wěn)定需要依靠控制算法實(shí)現(xiàn)[3]。

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件軟件設(shè)計完成，飛行平臺建立為下一步建立力學(xué)模型提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2.2 力學(xué)模型的建立

無人機(jī)自主飛行控制的實(shí)現(xiàn)需要建立力學(xué)模型，力學(xué)模型中可使用慣性坐標(biāo)系、機(jī)體坐標(biāo)系完成無人機(jī)運(yùn)動中坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，確定各次基本旋轉(zhuǎn)所對應(yīng)的變換矩陣。力學(xué)模型的建立要考慮升力大小、飛行器重力、空氣動力之間的變化關(guān)系來確定飛行姿態(tài)與位置的控制。尤其是動力學(xué)模型，要根據(jù)物理定律建立模型，考慮影響運(yùn)動的關(guān)鍵受力和力矩，利用推導(dǎo)傳遞函數(shù)歸類控制量，對四個飛行控制量升降、橫滾、俯仰、偏航產(chǎn)生力的作用實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動?？筛鶕?jù)設(shè)計要求建立了可靠的控制模型之后，飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)處理、控制算法仿真與系留試驗(yàn)才成為可能。

2.3 系留試驗(yàn)

系留試驗(yàn)要根據(jù)設(shè)計中現(xiàn)有條件在實(shí)際過程中逐步完成，比如控制器設(shè)計初期不穩(wěn)定時可選用預(yù)留短線驗(yàn)證飛行過程，完成對飛行器原理的驗(yàn)證。驗(yàn)證完飛行原理之后，要搭建專門的實(shí)驗(yàn)平臺檢測飛行姿態(tài)，并進(jìn)行控制器的優(yōu)化設(shè)計，要在試驗(yàn)平臺上進(jìn)行三自由度運(yùn)動，對關(guān)鍵部件運(yùn)行效果進(jìn)行觀察。通過驗(yàn)證的飛行器意味著設(shè)計具有可行性，能夠進(jìn)行分型，還能為日后實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性、自主飛行提供可靠參考數(shù)據(jù)。

總的來說，四旋翼無人機(jī)的自主飛行控制設(shè)計涵蓋多個領(lǐng)域，復(fù)雜性、難度性都較高，需要在設(shè)計過程中對機(jī)械結(jié)構(gòu)、飛行動力和控制算法等進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，以完成自主飛行控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐慶霈.旋翼飛行器設(shè)計與穩(wěn)定控制研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[2] 胡宇群.型飛行器中的若干動力學(xué)問題研究[D].南京航空航天大學(xué)，201.

[3] 黃牧.于反步法的微型四旋翼無人飛行器非線性自適應(yīng)控制研究[D].天津：天津大學(xué)，2009.endprint