基于GPS返航的旋翼無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)的研究

韓梅 陽(yáng)俊 曹沖 張小春 寇劍峰 湖南城市學(xué)院信息與電子工程學(xué)院

引言：近年來(lái)，隨著新材料、新能源、以及飛行控制技術(shù)、微電子技術(shù)、微慣導(dǎo)技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展使得四旋翼飛行器在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域獲得新生。近年全球無(wú)人機(jī)市場(chǎng)迎來(lái)廣泛關(guān)注，大疆創(chuàng)新產(chǎn)品走向前臺(tái)，國(guó)內(nèi)極飛科技、零度智控以及國(guó)外3D Robotics等無(wú)人機(jī)公司產(chǎn)品和融資動(dòng)作不斷。如何將它變得越來(lái)越智能將是我們不懈的追求，而現(xiàn)今四旋翼飛行器多依賴于手動(dòng)遙控，我們思考通過(guò)自主避障與GPS導(dǎo)航來(lái)解決其自主飛行問(wèn)題，令其變得更加智能，更符合現(xiàn)代發(fā)展潮流。

1 硬件系統(tǒng)

飛行控制板采用STM32F103C8T6為主控芯片，集成MPU6050三軸陀螺儀和加速度計(jì)，添加藍(lán)牙模塊，可通過(guò)安卓手機(jī)測(cè)試。其余一些必須配件如下：朗宇無(wú)刷電機(jī)馬達(dá)，980KV；天地飛2.4G，6通道接收機(jī)；好盈天行者，30A無(wú)刷電調(diào)；蝎子3S鋰電池，11.1V 2200mah 30C。

1.1 MPU6050傳感器

MPU-6050 它集成了三軸MEMS陀螺儀，三軸MEMS加速度計(jì)，以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP（Digital Motion Processor），可用I2C接口連接一個(gè)第三方的數(shù)字傳感器，比如磁力傳感器。擴(kuò)展之后就可以通過(guò)其I2C 或SPI 接口輸出一個(gè)9 軸的信號(hào)（SPI 接口僅在MPU-6000 可用）。

1.2 GPS模塊

四旋翼飛行器添加了GPS模塊,為了提高飛行器精度和實(shí)現(xiàn)地圖航線規(guī)劃顯示,同時(shí)GPS與三軸磁強(qiáng)計(jì)配合,能完成GPS HOME(自動(dòng)返航)功能。本系統(tǒng)采用的GY-GPS6MV2是是一款高性能GPS定位模塊。該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶高性能無(wú)源陶瓷天線，并自帶可充電后備電池（以支持溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)，后備電池在主電源斷電后，可以維持半小時(shí)左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存）。

2 軟件系統(tǒng)

MWC是Multiwii Copter的縮寫，Multiwii是控制多旋翼航模的開(kāi)源固件。Multiwii最初由法國(guó)航模愛(ài)好者Alex創(chuàng)立，用于控制他自己做的三軸飛行器。后經(jīng)改造擴(kuò)展，現(xiàn)在Multiwii不僅僅支持三軸飛行器、四軸、六軸等多軸系列，還支持固定翼和直升機(jī)等航模。本系統(tǒng)采用Multiwii開(kāi)源固件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2.1 算法淺析

飛控主要算法是濾波算法、姿態(tài)算法和PID算法。濾波算法主要是將獲取到的陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲及融合，得出正確的角度數(shù)據(jù)。PID算法就是用來(lái)控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)糾正歐拉角，從而使機(jī)身保持平穩(wěn)。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

飛行器的飛行測(cè)試主要測(cè)試的是飛行器能否自主起飛和在空中保持平穩(wěn)的飛行姿態(tài),最后可以實(shí)現(xiàn)飛行的自主降落。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，飛行器的姿態(tài)控制，其俯仰角度與橫滾角度的控制誤差可以保持在5°以內(nèi)，但能通過(guò)飛控自動(dòng)調(diào)節(jié)回來(lái)；對(duì)于位置位移的控制，水平高度誤差可以保持1m以內(nèi)，但是垂直位移則出現(xiàn)2～5m的誤差。經(jīng)分析，氣壓計(jì)定高在低空效果不佳，其溫漂導(dǎo)致測(cè)量精度與準(zhǔn)確度大大下降，使得控制器性能大大降低；位置位移的控制，垂直高度由空氣高度傳感器測(cè)量，可以達(dá)到比較高的精確度。

4 總結(jié)

本文作為四旋翼飛行器創(chuàng)新項(xiàng)目的一部分,首先對(duì)四旋翼飛行器飛行原理進(jìn)行研究。在此的基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)飛行控制及GPS返航和驗(yàn)證它的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本系統(tǒng)對(duì)四旋翼飛行器的姿態(tài)控制算法做了研究,在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)飛行器自主的姿態(tài)控制和增穩(wěn)，并完成了自主返回目的地的目標(biāo)。

[1]王守亮;基于藍(lán)牙多旋翼微飛行器通信與控制的研究與實(shí)現(xiàn)[D],碩士學(xué)位論文,上海,上海交通大學(xué),2005.

[2]王倩.基于GIS的電子導(dǎo)航圖和任務(wù)規(guī)劃[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)碩士論文.2007.3

[3]王東平.基于嵌入式的四軸飛行器控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].泉州:華僑大學(xué),2013.