航空探測無人機自主飛行控制研究

楊濤 徐堅

摘 要：目前，采用固定翼無人機作為航空探測平臺的方式無法進行精確的低空、低速測量。本文以旋翼無人機為載體，通過建立了平臺系統(tǒng)的動力學(xué)模型，選用經(jīng)典的閉環(huán)PID控制理論來設(shè)計無人機平臺的飛行控制系統(tǒng)的控制器，并在MATLAB/SIMULINK軟件中進行平臺系統(tǒng)飛行仿真，仿真結(jié)果驗證了飛行平姿態(tài)角中滾轉(zhuǎn)角、俯仰角、偏航角和高度的控制設(shè)計PID回路控制方法的有效性。

關(guān)鍵詞：航空探測平臺；自主飛行控制；PID控制器；回路控制

1 前言

近些年，隨著社會的發(fā)展，人類對礦產(chǎn)資源的需求日益增多，目前所開采的資源無法滿足人類當 前日益增長的發(fā)展需要，尋找新的資源存儲區(qū)域刻不容緩。近幾十年里，航空物探技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng) 域中逐步發(fā)展為一顆備受矚目的新星，該技術(shù)既能保障人員安全，提高工作效率，也能夠得到更精準 數(shù)據(jù)，擁有著廣闊的發(fā)展前景。其中應(yīng)用無人機作為航空探測的搭載平臺是航空探測技術(shù)領(lǐng)域中的一 個新興分支。

2 飛行平臺分析

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一種無人駕駛的、可重復(fù)使用的、具有 自主飛行能力的飛行器。無人機的智能化程度高，可完成多載荷任務(wù)在空中長時間飛行，在極其危 險的外界環(huán)境條件下重復(fù)飛行并且不會造成人員傷亡。無人機的核心部分是飛行控制系統(tǒng)，飛行控 制系統(tǒng)的性能好壞直接決定飛行性能及任務(wù)的完成情況。

選用四旋翼無人機作為航空物探無人機的搭載平臺，該平臺在結(jié)構(gòu)上采用剛性軸對稱的十字交叉架構(gòu)，四個獨立控制帶有螺旋槳的電機分別固定在懸臂的四個頂點上，其他控制、測量等模塊置于 裝置中間。無人機搭載平臺四個旋翼不同旋轉(zhuǎn)方向時產(chǎn)生的向上的升力，沿 X 軸的正方向的運動為向 前運動，沿 Y 軸的正方向的運動為向左運動，沿 Z 軸的正方向的運動為向上運動。SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴展組件之一，主要為動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的基于模型設(shè)計和多域仿真提供一種交互式圖形環(huán)境。SIMULINK 具有極豐富的圖形模塊庫，用戶可根據(jù)需要將圖形模塊從庫中拖出即可使用；為補充圖形模塊在實際應(yīng)用時的局限性，SIMULINK 還補充了可用 C 語言或 SIMULINK 語言編寫算法的 S-function 模塊和 Embedded-function 模塊，這些模塊可像普通的圖形模塊一樣直接調(diào)用。

3 飛行平臺 PID 回路控制仿真

將平臺控制系統(tǒng)分成：位置、姿態(tài)、速度控制回路，并選用 PID 控制理論作為本系統(tǒng)的主要控制 算法。下面將針對姿態(tài)控制回路進行控制器設(shè)計介紹，系統(tǒng)設(shè)計指標為：穩(wěn)態(tài)誤差≤10%；響應(yīng)時間≤2s；過渡時間≤8s。姿態(tài)控制回路是整個平臺控制系統(tǒng)的核心，是保證位置控制回路穩(wěn)定的前提，決定著平臺的飛行 狀態(tài)，它的控制結(jié)果更是直接影響平臺的飛行品質(zhì)在姿態(tài) PID 控制器模塊中采用了 PID 控制算法。

搭載平臺的硬件系統(tǒng)是整個平臺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，也是實現(xiàn)平臺探測飛行測試的基礎(chǔ)。以第二章平臺系統(tǒng)的動力學(xué)建模和第三章平臺控制系統(tǒng)的 PID算法設(shè)計所做的理論為鋪墊，將理論轉(zhuǎn)換為實際，完成無人機的自主飛行控制。現(xiàn)設(shè)計一套基于 PID 控制算法的硬件控制系統(tǒng)。平臺硬件系統(tǒng)可分為兩部分：地面站部分和機載部分。地面站部分主要是通過無線模塊向機載部分發(fā)送期望目標的控制指令。機載部分是期望目標控制指令的實現(xiàn)，是硬件系統(tǒng)的核心部分，也是本文研究的重點之一。為方便描述平臺硬件系統(tǒng)的機載部分，現(xiàn)將整個機載部分分成五個子模塊分別進行設(shè)計，即控制模塊、測量模塊、無線模塊、執(zhí)行驅(qū)動模塊和電源模塊?？刂颇K主要是包含主控芯片及其外圍基本電路部分，主要負責(zé)處理實時采集的姿態(tài)及位置數(shù)據(jù)信息，根據(jù)接收到的控制指令，結(jié)合系統(tǒng)的控制算法計算輸出量，調(diào)節(jié)電機的驅(qū)動信號，并將機載平臺狀況實時傳回給地面站部分。測量模塊，包括 IMU 慣性測量單元、數(shù)字羅盤以及氣壓計，主要負責(zé)獲取平臺飛行指令，采集平臺飛行時的實時姿態(tài)和位置信息，然后傳送給主控制器，完成反饋調(diào)節(jié)。無線模塊負責(zé)接收來自地面站的控制指令信息以及將平臺飛行狀態(tài)信息發(fā)送回地面站。電源系統(tǒng)是平臺運行與飛行的動力來源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源是實現(xiàn)平臺

正常工作的基礎(chǔ)。根據(jù)電機的輸入電壓要求，本文選用了 11.1V 的鋰聚合物電池為整個平臺系統(tǒng)供電，電池電量可以為平臺提供 15 分鐘的飛行時間。又由于系統(tǒng)電路中主控芯片的工作電壓為 3.3V，部分傳感器的工作電壓為 5V，因此本文根據(jù)實際需要分別設(shè)計了由 11.1V 到 5V 和由 5V 到 3.3V 的電壓轉(zhuǎn)換電路，在前者轉(zhuǎn)換電路中選用了 LM7805 作為降壓芯片，在后者轉(zhuǎn)換電路中選擇了LM117—3.3 作為降壓芯片。電路中電感和電容完成對電源信號的濾波。

4 結(jié)束語

設(shè)計的姿態(tài)控制回路具有較好的控制效果，滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航三 個角度的響應(yīng)時間控制在 1s 左右，6s 時響應(yīng)曲線均到達穩(wěn)定狀態(tài)，過渡時間均小于 8s，穩(wěn)態(tài)時的相 對誤差不超過 10%，驗證了 PID 回路控制方法的有效性。

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