基于Pixhawk飛控的四軸飛行器編隊(duì)控制分析

劉峰　唐天翊

摘 要：在單架四軸飛行器穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ)上，對(duì)飛行編隊(duì)的控制策略進(jìn)行研究。在整個(gè)過(guò)程中，分析四軸飛行器的飛行原理，研究飛行控制與導(dǎo)航方法，通過(guò)強(qiáng)大的開(kāi)源飛控平臺(tái)和穩(wěn)定的算法運(yùn)算，保證單架飛行系統(tǒng)穩(wěn)定。采用“集中式”通信方式，利用XBee模塊遠(yuǎn)程通信的穩(wěn)定性高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)完成四軸飛行器間的數(shù)據(jù)鏈交換。針對(duì)軟硬件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成基于領(lǐng)航-跟隨的編隊(duì)飛行控制的分析總結(jié)，最后通過(guò)實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 Pixhawk飛控算法 通信網(wǎng)絡(luò) “領(lǐng)航-跟隨”法編隊(duì)控制策略

中圖分類號(hào)：V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0183-02

近年來(lái)，隨著新型材料、導(dǎo)航技術(shù)、嵌入式微控制器在四軸飛行器中的廣泛應(yīng)用，結(jié)合國(guó)內(nèi)外飛行控制的研究進(jìn)展，與無(wú)人直升機(jī)、固定翼多機(jī)編隊(duì)相比較，四軸飛行器編隊(duì)控制理論研究更加成熟。目前，四軸飛行器編隊(duì)自主控制在國(guó)內(nèi)外一些高校得到了較好的科學(xué)驗(yàn)證。

四軸飛行器編隊(duì)由地面站、編隊(duì)機(jī)群、鏈路三大部分組成。飛行器地面站是整個(gè)飛行器編隊(duì)系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對(duì)飛行編隊(duì)的地面控制和管理。編隊(duì)機(jī)群有3架以上四旋翼無(wú)人機(jī)組成，單架四旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)用戶終端輸入（通常為遙控器）和飛行控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱飛控）中的程序算法解算，使用電子調(diào)速器根據(jù)輸出電壓匹配輸出電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)和位置的控制（核心組件就是飛控）。鏈路主要負(fù)責(zé)編隊(duì)機(jī)群與地面站之間的通訊，通過(guò)多種通信方式將編隊(duì)飛行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嬲荆⒖梢詫⒌孛嬲景l(fā)出的控制信號(hào)傳給編隊(duì)“領(lǐng)航者”，從而使得飛行編隊(duì)按照既定的指令飛行。

1 構(gòu)建穩(wěn)定的單架四軸飛行器飛行系統(tǒng)

1.1 選取合適的飛行編隊(duì)平臺(tái)

飛行編隊(duì)平臺(tái)的選取決定了編隊(duì)的直接飛行效果。大尺寸的四軸飛行器飛行速度很難改變，導(dǎo)致機(jī)體很難受控；并且在大載重下，槳葉揮舞會(huì)導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷。而微小型四軸飛行器續(xù)航時(shí)間短、載重量小，無(wú)法達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。另外，飛行編隊(duì)平臺(tái)要求響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外對(duì)四軸飛行器各個(gè)軸距的綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及成本預(yù)算，選取較為成熟的F450四軸飛行器平臺(tái)，以達(dá)到飛行編隊(duì)預(yù)期的飛行效果。

1.2 搭載Pixhawk飛控控制算法

Pixhawk飛控控制算法最突出的特點(diǎn)是由NuttX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度各個(gè)線程。各線程之間相對(duì)獨(dú)立，使飛控的易用性、代碼的移植性增強(qiáng)，便于編程人員對(duì)模塊化的算法進(jìn)行維護(hù)?？刂扑惴ǖ暮诵氖腔跀U(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）的姿態(tài)解算。姿態(tài)解算算法的作用就是將加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器的測(cè)量值經(jīng)過(guò)去噪聲濾波及數(shù)據(jù)融合，解算出姿態(tài)角，進(jìn)而作為系統(tǒng)的反饋量，從而形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

1.3 軟硬件平臺(tái)兼容調(diào)試

以Pixhawk開(kāi)源飛控控制算法為核心，分三步實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的實(shí)時(shí)有效控制。

第一步：接收外部實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)。包括用戶通過(guò)遠(yuǎn)程遙控發(fā)送的控制四軸飛行器姿態(tài)的通道量和飛行模式、GPS采集到的當(dāng)前經(jīng)緯度和時(shí)間、各個(gè)傳感器的初始數(shù)據(jù)。第二步：進(jìn)行濾波處理和數(shù)據(jù)融合。對(duì)四軸飛行器進(jìn)行位置預(yù)測(cè)、位置控制、姿態(tài)預(yù)測(cè)、姿態(tài)控制，解算出相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣處理，轉(zhuǎn)換為四個(gè)端口的PWM信號(hào)，進(jìn)行輸出。第三步：根據(jù)輸出的PWM信號(hào)不同的占空比，外部動(dòng)力源通過(guò)電子調(diào)速器的輸出電流驅(qū)動(dòng)無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器的有效控制。

2 自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)四軸飛行器編隊(duì)控制

2.1 搭建“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)編隊(duì)控制的通信網(wǎng)絡(luò)有兩種較為主流的搭建方式，一種是“分布式”通信網(wǎng)絡(luò)，另一種是“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)。采用“分布式”的通信網(wǎng)絡(luò)的編隊(duì)控制需要每架四軸飛行器上攜帶一個(gè)強(qiáng)大的計(jì)算中心，用于運(yùn)行編隊(duì)控制算法，從而實(shí)現(xiàn)四軸飛行器與周圍鄰居幾個(gè)四軸飛行器密集的數(shù)據(jù)交互；而采用“集中式”的通信網(wǎng)絡(luò)的編隊(duì)控制則只需要一個(gè)計(jì)算中心來(lái)統(tǒng)籌計(jì)算控制命令，與通信網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的四軸飛行器建立無(wú)線通信連接并向它們發(fā)送指令即可。搭建“分布式”通信網(wǎng)絡(luò)盡管可以減少通信上的延時(shí)，但是極大的占用飛行動(dòng)力與功耗。而搭建“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)不僅功耗低、占用較少的資源，而且在工程上實(shí)現(xiàn)也較為容易。

“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)的搭建是四軸飛行器保持飛行編隊(duì)的重要組成部分。由于通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須達(dá)到穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)高效的效果，所以設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，在節(jié)點(diǎn)硬件上要求成本較低、能耗較少，在軟件技術(shù)上必須支持多跳的路由協(xié)議。在通信技術(shù)選取上，通過(guò)文獻(xiàn)[5]，了解到ZigBee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的雙向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸范圍一般在一千米以內(nèi)，以自組織方式構(gòu)成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。在硬件選取上，采用基于ZigBee技術(shù)的XBeeS3B通信模塊，該模塊是一種遠(yuǎn)距離低功耗的數(shù)傳模塊，有2.4G、900M、868M三種頻段，同時(shí)可兼容802.15.4協(xié)議?？山Mmesh網(wǎng)絡(luò)，冗余特性強(qiáng)，數(shù)據(jù)幀信息全面，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，并且在終端通過(guò)X-CTU軟件方便調(diào)試。每個(gè)模塊都可以做為路由節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器，以及終端節(jié)點(diǎn)。

2.2 選取“領(lǐng)航-跟隨”編隊(duì)控制策略

基于“領(lǐng)航-跟隨”法的編隊(duì)控制策略，需要在編隊(duì)中選取一位領(lǐng)航者，剩余所有的機(jī)體都作為僚機(jī)。而所有的僚機(jī)在飛行之初通過(guò)矩陣就已經(jīng)設(shè)定好位置和角度，只需在編隊(duì)飛行中保持與領(lǐng)航者的相對(duì)距離和相對(duì)角度，就可以實(shí)現(xiàn)編隊(duì)飛行的任務(wù)。而對(duì)于所要規(guī)劃的航跡來(lái)說(shuō)，只有領(lǐng)航者才對(duì)航跡進(jìn)行規(guī)劃，其余僚機(jī)都是按照與領(lǐng)航者的位置差和角度差來(lái)驅(qū)動(dòng)自身控制器的。同時(shí)在偏差解算中，添加了速度偏差，用于實(shí)現(xiàn)僚機(jī)對(duì)領(lǐng)航者的速度跟隨，使得當(dāng)領(lǐng)航者以較大加速度改變速度的時(shí)候，領(lǐng)航者與僚機(jī)之間的間距仍然能夠保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。僚機(jī)通過(guò)接收領(lǐng)航者的航向信息，能夠?qū)︻I(lǐng)航者的航向做出響應(yīng)，使得在編隊(duì)飛行過(guò)程中，領(lǐng)航者速度方向發(fā)生變化的時(shí)候僚機(jī)能夠保持在領(lǐng)航者的固定方位。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式較為容易設(shè)計(jì)，控制效果明顯。

3 四軸飛行器編隊(duì)控制將來(lái)的應(yīng)用趨勢(shì)

根據(jù)眾多文獻(xiàn)資料的研究，現(xiàn)在四軸飛行器編隊(duì)控制主要還是停留在理論研究的程度，所以在四軸飛行器編隊(duì)控制的發(fā)展趨勢(shì)中，未來(lái)的飛行編隊(duì)一定會(huì)帶來(lái)更多的智能化與系統(tǒng)化的控制策略。相比于商業(yè)領(lǐng)域，四軸飛行器編隊(duì)能夠靈活、隱蔽地飛向敵防空領(lǐng)域，執(zhí)行偵察、通信、電子干擾等任務(wù)的特點(diǎn)使其在軍事方面應(yīng)用前景更加廣闊。

四軸飛行器編隊(duì)控制的發(fā)展趨勢(shì)主要有兩部分：（1）可適應(yīng)更加復(fù)雜、惡劣的環(huán)境。在以高新技術(shù)為主導(dǎo)的未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，周圍環(huán)境必然變得更加惡劣與復(fù)雜，這給四軸飛行器編隊(duì)控制帶來(lái)了巨大的難題。從而四軸飛行器為了適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的需要必須提高其自身對(duì)周圍環(huán)境的適應(yīng)能力。（2）基于網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同調(diào)控。伴隨現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)更將是一場(chǎng)信息戰(zhàn)爭(zhēng)，所以增加飛行編隊(duì)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用必然也會(huì)成為一種趨勢(shì)。所以未來(lái)飛行編隊(duì)間的通信網(wǎng)絡(luò)化越發(fā)成為當(dāng)今科技界的研究重點(diǎn)，這才能更好地保證飛行編隊(duì)各機(jī)間協(xié)同控制的效率。

參考文獻(xiàn)

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