X型四旋翼無人機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

李廣 沈紀(jì)元 杜彤 仲啟帥

摘 ?要：從軟件姿態(tài)算法解析與控制到硬件的各個(gè)系統(tǒng)。通過MATLAB等軟件來建立無人機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，確立機(jī)體模型。利用MATLAB軟件自帶的仿真平臺，模擬飛行。利用PID模糊控制器和PID算法，來減少飛行時(shí)的不穩(wěn)定性。采用MPU6050系列的姿態(tài)控制器，減小與無人機(jī)契合帶來的誤差。電源供電系統(tǒng)采用節(jié)能環(huán)保，且體積較小的鋰電池，它的使用壽命較長，相較于其他類型的電池，鋰電池具有較高的能量密度。

關(guān)鍵詞：模糊PID ?MATLAB軟件 ?鋰電池 ?姿態(tài)控制器 ?MPU6050系列

中圖分類號：V249 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（c）-0097-03

Abstract： From software attitude algorithm analysis and control to hardware each system. The structure model of uav is established by MATLAB and other software. MATLAB software with its own simulation platform to simulate flight. PID fuzzy controller and PID algorithm are used to reduce the instability in flight. The ATTITUDE controller of MPU6050 series is adopted to reduce the error brought by it. The power supply system adopts energy saving and environmental protection， and the small size of lithium battery， its service life is longer， compared with other types of batteries， lithium battery has a higher energy density.

Key Words： Fuzzy PID; MATLAB software; Lithium battery; Attitude controller; MPU6050 series

四旋翼無人機(jī)分為“X”型和“+”型，而X型無人機(jī)具有代表性。X型無人機(jī)在當(dāng)今的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景比較廣，四旋翼無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)在無人機(jī)中起著核心作用[1]，無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)的主要部分是由多個(gè)靈敏傳感器組成的，且其具有較小的重量與體型的特點(diǎn)?？蓱?yīng)用于多個(gè)場景和場所。

1 ?軟件

下面主要介紹一下關(guān)于模型的構(gòu)建問題。

由于四旋翼無人機(jī)中易受多種因素的影響[2]，會導(dǎo)致無人機(jī)飛行時(shí)機(jī)身不穩(wěn)，容易造成事故。通常我們在構(gòu)建模型時(shí)將無人機(jī)看成一個(gè)有6個(gè)自由度的運(yùn)動剛體。因此，建立的無人機(jī)模型是由姿態(tài)轉(zhuǎn)動動力學(xué)模型和質(zhì)心平動動力學(xué)模型組合而成的。首先用三維設(shè)計(jì)軟件（UG）建立無人機(jī)的結(jié)構(gòu)模型，利用主體機(jī)架、電機(jī)和正反槳之間轉(zhuǎn)動方向上由不同原因?qū)е碌牟煌臄?shù)據(jù)，來建立無人機(jī)的模型。利用Adams軟件，對其每一個(gè)部分的零件進(jìn)行數(shù)據(jù)的定義和編寫，使其更符合實(shí)際情況，讓模型更具有真實(shí)性。

1.1 建立仿真系統(tǒng)

四旋翼無人機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面和飛行控制方面的數(shù)據(jù)通過已經(jīng)建立好的無人機(jī)模型數(shù)據(jù)傳輸?shù)組ATLAB軟件中去，看能否運(yùn)行。利用仿真系統(tǒng)建立飛控系統(tǒng)。在仿真系統(tǒng)中，將無人機(jī)看成一個(gè)六自由度的剛體，采集無人機(jī)基礎(chǔ)飛行數(shù)據(jù)，即俯仰、橫滾、偏航的姿態(tài)角和加速度的大小。

1.2 計(jì)算機(jī)體姿態(tài)角

姿態(tài)角的計(jì)算是保障無人機(jī)能穩(wěn)定飛行的重要因素，需要較高的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。姿態(tài)角的精度與誤差控制，涉及到無人機(jī)的設(shè)計(jì)?？衫盟脑獢?shù)來計(jì)算機(jī)體的姿態(tài)角，每一次轉(zhuǎn)動皆可用四元數(shù)表示：

q0為轉(zhuǎn)動幅度;q1、q2、q3為轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)軸。

通過陀螺儀，加速器與磁力計(jì)收集數(shù)據(jù)，然后將3種數(shù)據(jù)進(jìn)行相互補(bǔ)充和驗(yàn)證，使得到的新數(shù)據(jù)更加切和實(shí)際，利用所得的數(shù)據(jù)計(jì)算無人機(jī)機(jī)體的姿態(tài)角，以保障無人機(jī)平穩(wěn)飛行。

1.3 利用PID算法

從無人機(jī)的飛行的穩(wěn)定性方面考慮，在算法的選取方面，采用具有小擾動性自適應(yīng)特征的PID控制算法[3]。無人機(jī)現(xiàn)如今多采取PID模糊控制。PID模糊控制系統(tǒng)，就是在簡單的控制系統(tǒng)上添加了模糊控制規(guī)則的電路，相較于串級PID，其對于系統(tǒng)控制能力更強(qiáng)，具有時(shí)變性，對于無人機(jī)具有較強(qiáng)的魯棒性。

相較與串級PID，模糊PID對高頻率的信號處理能力更強(qiáng)。在偏航方向?qū)Ρ壬?，具有更小的超調(diào)量。在調(diào)節(jié)時(shí)間和峰值時(shí)間上，顯示出模糊PID具有更好的控制能力和抗干擾能力。模糊PID對無人機(jī)穩(wěn)定飛行起著保障作用。

2 ?硬件

2.1 飛控系統(tǒng)

飛控系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)無人機(jī)飛行姿態(tài)、飛行位置的計(jì)算與控制，發(fā)送PWM信號。其是通過CAP來捕獲遙控器發(fā)出的指令信號。通過飛行控制算法，解算信號，通過PWM信號的形式發(fā)給電路，調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行的姿態(tài)控制。其微型處理器采用的是STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)具有很強(qiáng)的算法植入能力和較強(qiáng)的運(yùn)行效率。

姿態(tài)控制器能夠快速有效地控制姿態(tài)，是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更高級別操作的基礎(chǔ)。通過控制俯仰、滾動和偏航3個(gè)操作來控制力矩上的實(shí)現(xiàn)。姿態(tài)控制器主要采用MPU6050，其內(nèi)部陀螺儀和加速度器的穩(wěn)定性與精度有利于飛機(jī)的平穩(wěn)飛行。其目的是消除在焊接電路時(shí)造成的對準(zhǔn)誤差，利用電腦軟件設(shè)置適合的數(shù)據(jù)頻率的低通濾波器，過濾掉高頻率的振動信號，保證無人機(jī)的機(jī)身平穩(wěn)飛行。這種措施是為了避免造成無人機(jī)機(jī)體振動導(dǎo)致飛行不穩(wěn)。

通過控制量的數(shù)據(jù)來調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。利用“滑動模態(tài)”對系統(tǒng)的干擾和參數(shù)聶動的特點(diǎn)，在預(yù)先設(shè)計(jì)好的切換流形鄰域內(nèi)，強(qiáng)行改變系統(tǒng)的狀態(tài)使其按照人為規(guī)定的軌跡滑到期望點(diǎn)，在系統(tǒng)方面具有更好的響應(yīng)速度和魯棒性。

2.2 動力系統(tǒng)

由于鋰電池電壓平臺高，且能量密度很高等優(yōu)點(diǎn)，在無人機(jī)穩(wěn)定飛行的使用上，減輕了無人機(jī)的重量，增加了續(xù)航時(shí)間，且使用的壽命較長[5]。所以選擇12V的航模專用鋰電池作為無人機(jī)控制系統(tǒng)的供電電源，通過ME6206系列的低壓差電壓穩(wěn)壓器為無人機(jī)的GPS等模塊提供電源，然后利用AMS1117_3.3芯片將5V電壓降為3.3V作為飛控板的供電電源。

ME6206系列芯片具有高紋波抑制率，消耗的功率較低，電壓差較低，具有良好的調(diào)整率以及過流和短路保護(hù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

2.3 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)分為手持地面端和機(jī)載接收端兩部分。通過對無人機(jī)飛行的安全性與穩(wěn)定性考慮，采用無線遙控器天地飛9通道遙控器。其地面端手持設(shè)備利用PPM或PCM方式編碼，無人機(jī)將捕獲的信號解碼成PWM 信號輸出，然后利用微控器自身GPI0引腳捕捉此信號，即可完成控制信號的讀取工作[4]。

2.4 其他硬件

直流電機(jī)可以分為無刷電機(jī)和有刷電機(jī)，無刷電機(jī)是無人機(jī)的主流選擇，因?yàn)樗α看笄夷陀谩τ跈C(jī)架的選擇，機(jī)架的選取會決定姿態(tài)傳感器讀取到的數(shù)據(jù)噪聲的大小，較差的機(jī)架會加大四旋翼飛行器在飛行過程中的不穩(wěn)定性，因此選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、質(zhì)量較輕的碳纖機(jī)架，這樣很大程度上也提高了飛行器的載重。螺旋槳是由電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動為四旋翼飛行器提供升力的。螺旋槳分為正反槳，順時(shí)針方向轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配正槳，逆時(shí)針轉(zhuǎn)的電機(jī)需要配反槳。螺旋槳的選取取決于電機(jī)。

3 ?總結(jié)與展望

在系統(tǒng)建模分析的時(shí)候采用諸多的假設(shè)，但與實(shí)際上的實(shí)驗(yàn)有一定的出入，需要對無人機(jī)進(jìn)行調(diào)試。在處理四旋翼無人機(jī)的問題時(shí)需要注意協(xié)調(diào)好各個(gè)模塊之間的關(guān)系，一個(gè)模塊的不注意會導(dǎo)致無人機(jī)飛行不穩(wěn)定，增大飛行的危險(xiǎn)性。

在無人機(jī)飛行的時(shí)候有幾個(gè)不足之處需要注意：（1）電機(jī)和機(jī)架的振動大，加速度計(jì)無法立即排除掉較大的輸入信號，當(dāng)信號運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)致飛機(jī)飛行不穩(wěn)。（2）陀螺儀數(shù)據(jù)偏差的不斷累積會導(dǎo)致無人機(jī)姿態(tài)不穩(wěn)。（3）四旋翼無人機(jī)需要較高的協(xié)調(diào)一致性。（4）需要對四旋翼無人機(jī)的一些零部件上的參數(shù)進(jìn)行核實(shí)，等等，這些不足之處國內(nèi)正在研究。

相對與傳統(tǒng)的固定翼無人機(jī)，無人機(jī)具有較高的靈活性，可在狹小的空間內(nèi)飛行，可以垂直起降，在諸多領(lǐng)域都備受青睞。例如無人機(jī)用于航拍、地圖繪測、噴灑農(nóng)藥，在軍事方面可以實(shí)時(shí)跟拍、充當(dāng)電子間諜，也可以運(yùn)送物資。

無人機(jī)未來發(fā)展趨勢無人機(jī)系統(tǒng)個(gè)體和集體兩個(gè)層面發(fā)展，自主控制為無人機(jī)發(fā)展大勢的核心技術(shù)：在個(gè)體的無人機(jī)方面體現(xiàn)在對無人機(jī)自身故障的診斷和自我修復(fù)功能方面的提升;在群體的無人機(jī)方面體現(xiàn)在協(xié)同處理問題的能力方面。

參考文獻(xiàn)

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