基于FPGA的四軸飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐亞妮 羅文廣 張亮

摘 要：為提高四軸飛行器飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性，研制了一種基于NIOS II的飛行控制系統(tǒng)，并添加了多冗余控制功能.當(dāng)其中一套系統(tǒng)失效的情況下，調(diào)用多個(gè)NIOS II軟核，配合Altera自帶的IP核以及外圍硬件電路，其他的冗余模塊能夠替換壞掉的模塊繼續(xù)工作，防止發(fā)生飛行故障，從而提高四軸飛行器的穩(wěn)定性和安全性.同時(shí)針對(duì)四軸飛行器易受外界干擾的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了四軸飛行器的自抗擾控制算法，并和串級(jí)PID控制器的控制效果進(jìn)行了比較.仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的自抗擾控制算法可以更好地實(shí)現(xiàn)四軸飛行器的姿態(tài)控制，并具有較強(qiáng)的魯棒性.

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；飛行控制系統(tǒng)；FPGA

中圖分類號(hào)：TP273 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.03.008

0 引言

近年來(lái)，四軸飛行器在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，飛行器的可靠性顯得尤為重要，而飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控）是飛行器的控制核心，其性能直接決定了無(wú)人機(jī)飛行性能及完成任務(wù)的效率.研究并設(shè)計(jì)具有更高數(shù)據(jù)處理、更低的功耗、更高的集成度的飛控是未來(lái)四軸飛行控制系統(tǒng)發(fā)展的方向[1]，同時(shí)可編程片上系統(tǒng)與非傳統(tǒng)硬件模型——多核設(shè)計(jì)也是發(fā)展趨勢(shì).因此優(yōu)化設(shè)計(jì)飛控的性能，提高四軸飛行器飛行的穩(wěn)定性及安全性具有重要的意義.

為了使四軸飛行器具有更好的穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作了廣泛的研究：文獻(xiàn)[2]采用PID控制方案，通過(guò)集成了紅外相機(jī)，實(shí)現(xiàn)精確定位.但該方案在硬件上的改進(jìn)并沒(méi)有讓穩(wěn)定性的提升得到較好的改善.在軟件設(shè)計(jì)方面，文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)UKF微型航姿系統(tǒng)，對(duì)噪聲在線估計(jì)，對(duì)噪聲的協(xié)方差進(jìn)行在線更新，動(dòng)靜態(tài)精度都有較大的提高，但是收斂速度比較慢.文獻(xiàn)[4]中作者考慮了四軸飛行器在風(fēng)力干擾情況，設(shè)計(jì)了基于積分反演算法的內(nèi)環(huán)姿態(tài)控制和基于 PID 的外環(huán)控制組成的雙閉環(huán)控制器，并驗(yàn)證了該控制器在風(fēng)力干擾下性能良好且有著較強(qiáng)的魯棒性.但該控制器的設(shè)計(jì)對(duì)飛行器數(shù)學(xué)模型精度要求非常高，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn).

針對(duì)上述文獻(xiàn)中對(duì)四軸飛行器穩(wěn)定性研究的不足之處，本文將基于NIOS II的可編程片上系統(tǒng)多處理器技術(shù)應(yīng)用在四軸飛行器上，設(shè)計(jì)了多冗余CPU的飛行控制系統(tǒng).主要研究四軸飛行控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與軟件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面.首先在硬件方面設(shè)計(jì)了四軸飛行控制器的多重冗余結(jié)構(gòu)，增加了關(guān)鍵模塊的備用模塊，使其在飛行控制器上的重要模塊，如加速度傳感器，陀螺儀，羅盤(pán)，CPU等失效情況下，能夠替換故障模塊，保障飛行器結(jié)構(gòu)的完整性，使四軸飛行器得以繼續(xù)正常飛行；其次是設(shè)計(jì)了一種適合在多重硬件冗余環(huán)境下的軟件結(jié)構(gòu)，能夠快速識(shí)別發(fā)生故障的模塊，并及時(shí)啟用備份模塊.同時(shí)針對(duì)四旋翼飛行器參數(shù)不確定和外部干擾敏感的問(wèn)題，從分析串級(jí)PID控制系統(tǒng)的不足出發(fā)，提出了一種基于自抗擾控制算法的四軸飛行器控制系統(tǒng)，彌補(bǔ)了串級(jí)PID控制算法中快速性與超調(diào)量之間的矛盾.并與串級(jí)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行定量比較分析.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以有效提高四軸飛行系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性.

1 飛行控制器系統(tǒng)硬件平臺(tái)概述

本文所設(shè)計(jì)的四軸飛行器的飛行控制系統(tǒng)是基于可編程片上系統(tǒng)技術(shù).可編程片上系統(tǒng)技術(shù)是一種高效、靈活的嵌入式系統(tǒng)硬件解決方案，也是一種新型嵌入式技術(shù).

可編程片上系統(tǒng)如圖1所示，共有4個(gè)CPU：CPU0是主CPU，接收GPS（UART接口）和nRF24L01（SPI接口）等傳感器采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)值處理.CPU1、CPU2、CPU3是3個(gè)功能完全一樣的處理器，互為備份，只要一個(gè)CPU能正常工作，整個(gè)系統(tǒng)功能都不受影響，惡劣條件下工作可靠性大大增強(qiáng).每個(gè)CPU接收各自姿態(tài)傳感器輸入的數(shù)據(jù)，并和CPU0處理的傳感器數(shù)據(jù)一起計(jì)算四軸飛行器的位置、高度、姿態(tài)等信息.CPU1、CPU2、CPU3處理后的結(jié)果再傳給CPU0做判斷，輸出PWM信號(hào)控制電機(jī).

CPU之間的通信原理是：4個(gè)CPU通過(guò)NIOS II自帶的mutex模塊，互斥訪問(wèn)同一塊片上存儲(chǔ)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5].CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器前會(huì)先監(jiān)測(cè)mutex模塊的標(biāo)志位，確保存儲(chǔ)器沒(méi)被其他CPU占用，然后對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作.讀寫(xiě)操作結(jié)束后，CPU會(huì)釋放對(duì)存儲(chǔ)器控制權(quán)，mutex標(biāo)志位會(huì)清零.4個(gè)CPU會(huì)按照一定順序來(lái)訪問(wèn)這塊共享存儲(chǔ)器.具體的硬件搭建如圖2所示.

2 基于可編程片上系統(tǒng)軟核的程序設(shè)計(jì)

2.1 NIOS II軟件設(shè)計(jì)

總體任務(wù)分為傳感器數(shù)據(jù)采集、控制算法、輸入、輸出等4部分，并把各個(gè)部分的任務(wù)按照實(shí)時(shí)性要求，分配到操作系統(tǒng)的進(jìn)程中，即完成飛行控制器上的軟件設(shè)計(jì).

Quartus自帶的NIOS II Software Build Tool（SBT）for Eclipse產(chǎn)生軟件模塊，每個(gè)CPU有2個(gè)文件包：BSP和上層軟件環(huán)境[6].BSP提供訪問(wèn)硬件底層的接口函數(shù)，自動(dòng)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)上層軟件所要求的功能.多核處理，需要調(diào)度mutex來(lái)實(shí)現(xiàn)多CPU互斥訪問(wèn)共享部分存儲(chǔ)器，這部分可以調(diào)用NIOS II底層相關(guān)函數(shù).

基于可編程片上系統(tǒng)技術(shù)的軟件設(shè)計(jì)是在IP核所搭建的硬件平臺(tái)上采用C語(yǔ)言或者C++語(yǔ)言而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的開(kāi)發(fā)過(guò)程，本設(shè)計(jì)在硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示等功能是基于NIOS II開(kāi)發(fā)平臺(tái)下完成的.

2.2 四軸飛行器控制算法

2.2.1自抗擾控制算法

由四軸飛行器動(dòng)力學(xué)建模公式可知，自抗擾控制算法的控制對(duì)象均為二階線性不確定對(duì)象，因此需要設(shè)計(jì)二階自抗擾控制算法對(duì)其進(jìn)行控制.自抗擾控制器分為微分跟蹤器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、非線性狀態(tài)誤差反饋控制器[7].

對(duì)于一個(gè)二階不確定系統(tǒng)：

2.2.2 串級(jí)PID控制器

串級(jí)PID比經(jīng)典PID控制性能更好更穩(wěn)定.四軸飛行器的飛行過(guò)程干擾因素多，實(shí)時(shí)性要求高且無(wú)法建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型.如突遇外力干擾，在PID控制器只用單環(huán)的情況下，因?yàn)榇帕鞲衅饕约凹铀俣葌鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)不準(zhǔn)確，所以被姿態(tài)解算出來(lái)的歐拉角不精確，系統(tǒng)不穩(wěn)定.因此在控制器中加入角速度內(nèi)環(huán)，如圖4所示.陀螺儀反映靈敏，抗干擾能力強(qiáng)，且采集輸出角速度變化靈敏，一般不會(huì)受外界影響.同理，在當(dāng)高度環(huán)中引入z軸加速度環(huán)可以有效避免外界對(duì)氣壓傳感器的干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性[13].

本設(shè)計(jì)中roll與pitch采用串級(jí)PID控制器控制角度變化，以提高飛行器的平衡能力，而yaw直接用傳統(tǒng)PID控制器控制即可，過(guò)程控制如圖5所示.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 可編程片上系統(tǒng)飛行控制器系統(tǒng)仿真測(cè)試

NIOS II SBT for eclipse支持調(diào)用ModelSim來(lái)仿真，但一次只能仿真一個(gè)軟件包，相當(dāng)于仿真一個(gè)CPU的軟硬件程序.軟件編譯通過(guò)后，點(diǎn)擊軟件工程右鍵RUN AS選擇NIOS II ModelSim，即可以進(jìn)行仿真，調(diào)出各個(gè)CPU控制和數(shù)據(jù)總線上的信號(hào)，可以看出CPU1、CPU2、CPU3都已經(jīng)工作了.

NIOS II SBT for eclipse支持在線調(diào)試，可以配合FPGA芯片進(jìn)行聯(lián)調(diào).采用基于Altera EP4S15C8型號(hào)FPGA芯片的板卡，在SBT窗口底部console可以看CPU工作的打印信息，如圖6所示，可以看出CPU通過(guò)mutex互斥訪問(wèn)共享memory，CPU得到mutex權(quán)限，就會(huì)有一條打印信息.

上述板卡信息表明，3個(gè)冗余CPU都可以正常工作，可以訪問(wèn)主CPU，達(dá)到了設(shè)計(jì)安全性更高的多冗余CPU飛行控制器系統(tǒng)的目的.

3.2 飛行控制算法仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

自抗擾控制算法主要部分均用S-Function模塊編輯程序?qū)崿F(xiàn)如圖7所示，比較部分如圖8所示.

模型建立好后，期望值按照表1設(shè)定為常數(shù)，如模型所示，PID參數(shù)3個(gè)通道全部先采用第一部分中姿態(tài)控制模塊中設(shè)置的參數(shù)，再將期望值換成階躍信號(hào)和脈沖信號(hào)，仿真驗(yàn)證，如圖9所示.

圖9的波形圖中，上面的波形是自抗擾控制算法的控制效果圖，下面的波形是串級(jí)PID控制算法的控制效果圖.可以看出，在不同的信號(hào)下，自抗擾控制算法下的四旋翼飛行器俯仰角達(dá)到期望值的時(shí)間較短且超調(diào)較小，所以自抗擾控制算法針對(duì)四軸飛行器飛行姿態(tài)角的控制穩(wěn)定性要優(yōu)于串級(jí)PID的控制效果.

4 結(jié)束語(yǔ)

基于FPGA四軸飛行器的多冗余飛行控制系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)方案以及模塊化管理的思想，進(jìn)一步提高整個(gè)飛行控制器系統(tǒng)的集成度、靈活性和數(shù)據(jù)處理能力，以及四軸飛行器的整體性能.本文在設(shè)計(jì)完成四軸飛行器硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)之后，通過(guò)板卡信息可以看出，3個(gè)冗余CPU都可以正常工作，可以訪問(wèn)主CPU，達(dá)到了設(shè)計(jì)安全性更高的多冗余CPU飛行控制器系統(tǒng)的目的.通過(guò)自抗擾控制算法與串級(jí)PID控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)相比較后發(fā)現(xiàn)，自抗擾控制算法應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，魯棒性更強(qiáng).

參考文獻(xiàn)

[1]鐘佳朋.四旋翼無(wú)人機(jī)的導(dǎo)航與控制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]面向橋梁檢測(cè)的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[3]劉宇，劉瓊，周帆，等.基于自適應(yīng)UKF微型航姿系統(tǒng)噪聲在線估計(jì)[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，28（3）：285-290.

[4]何勇靈，陳彥民，周岷峰.四旋翼飛行器在風(fēng)場(chǎng)擾動(dòng)下的建模與控制[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21（5）：624-630.

[5]段國(guó)強(qiáng)，張?jiān)儡?，李衍杰，?四旋翼無(wú)人直升機(jī)控制算法仿真比較研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2014，31（4）：78-82.

[6]韓京清.自抗擾控制技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008（1）：25-32.

[7]賴愛(ài)芳，郭毓，鄭立君.航天器姿態(tài)機(jī)動(dòng)及穩(wěn)定的自抗擾控制[J].控制理論與應(yīng)用，2012，29（3）：401-407.

[8]李堯.四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[9]黃依新.四旋翼飛行器姿態(tài)控制方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2014.

[10]陸偉男，蔡啟仲，李剛，等.基于四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（33）：127-131.

[11]劉偉.四旋翼無(wú)人飛行器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011.

[12]李克儉，李洋，柯寶中，等.基于FPGA的尋址與運(yùn)算操作數(shù)存儲(chǔ)IP核設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28（4）：72-79.

[13]柯寶中，侯麗，潘紹明，等.與8位微處理器系統(tǒng)連接的計(jì)數(shù)器IP核的設(shè)計(jì)[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，28（2）：48-54.