基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態(tài)控制器設(shè)計

施 建

(浙江科技學(xué)院 信息與電子學(xué)院，杭州 310023)

0 引言

小型四旋翼飛行器擁有六自由度(位置及姿態(tài))以及4個控制輸入(旋翼轉(zhuǎn)速)的強抗干擾驅(qū)動系統(tǒng)，具備變量多元、非線性、強耦合以及干擾敏感性等特點，導(dǎo)致飛行操控系統(tǒng)設(shè)計有很大挑戰(zhàn)[1]。另外，控制器功能特性會被模型精準(zhǔn)度以及傳感器準(zhǔn)確度干擾，控制姿態(tài)是飛行控制中最為重要的一環(huán)[2]。對于小型四旋翼飛行器姿態(tài)的管控，當(dāng)前研究比較多的是魯棒、自適應(yīng)、非線性的控制等，但是以上這些方法要求模型精度達到很高的標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)設(shè)計具有復(fù)雜性，也會存在諸多不同的缺陷，造成應(yīng)用具有局限性[3]。在此基礎(chǔ)上，以自抗擾解耦模型為基礎(chǔ)的四旋翼姿態(tài)控制器的設(shè)計被提出來。自抗擾控制器無需借助系統(tǒng)精度，而利用避免誤差的方式，算法運算簡便、具有魯棒性、適應(yīng)性強、抗干擾能力強等優(yōu)勢，而且控制系統(tǒng)的動態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性很好。引進自抗擾控制技術(shù)，能夠有效緩解非線性耦合系統(tǒng)的操控問題。

1 四旋翼姿態(tài)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態(tài)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

計算機通過PCIE-PCI轉(zhuǎn)接卡和運動控制板卡連接起來，它借助安置在平臺的三個編碼器對飛行仿真器的俯仰角、橫滾角、偏航角的信息數(shù)據(jù)進行實時探測與記錄，之后借助運動控制板卡對控制器計算4個電機的控制量進行反饋，同時啟動電機，使螺旋槳形成升、降力，進而保證控制的穩(wěn)定性[4-6]。

1.1 運動控制板卡

選擇MACH4運動控制板卡具有8個IO接口，使用隔離開路輸出方式，獲取驅(qū)動電流，支持4軸聯(lián)動，同時從8路輸出口中獲取最大電流，從16路輸入口中獲取最大電壓。使用步進/伺服驅(qū)動器，具有USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，支持全速傳輸模式[7]。該結(jié)構(gòu)支持Mach4 個人愛好者版本,只適合Windows操作系統(tǒng)，全面支持USB熱插拔，隨時監(jiān)測USB連線狀態(tài)，Mach4工作中，USB電纜拔出再插上，也可正常連線。擁有2 000 kHz的脈沖輸出，支持伺服/步進電機[8]。支持主軸PWM調(diào)速輸出；支持主軸脈沖+方向輸出；支持主軸0～10 V模擬電壓調(diào)速輸出[9-10]。

1.1.1 繼電器

繼電器為電氣控制器件之一，在輸入量(激勵量)改變符合標(biāo)準(zhǔn)情況下，作用是在電氣輸出電路中，造成控制量產(chǎn)生預(yù)設(shè)的階躍改變[11]。繼電器包含控制系統(tǒng)(又名為輸入回路)與被控制系統(tǒng)(又名為輸出回路)間的互動聯(lián)系。一般情況下在自動化的控制電路領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，本質(zhì)上是借助小電流去操控大電流工作的一種“自動開關(guān)”[12]。因此在電路中的作用是自動調(diào)節(jié)、安全防護、改變電路等[13]。選擇JQX-13F型號繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 JQX-13F繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

繼電器運作時，借助加上特定電壓值在線圈端部，線圈中形成電流，繼而發(fā)生電磁效應(yīng)，銜鐵便在電磁力吸引下擺脫復(fù)位彈簧的拉力被鐵芯吸引過去，管控觸點的閉合情況。若線圈失去供電，電磁吸力將不會產(chǎn)生，銜鐵將在復(fù)位彈簧的反作用力下回到初始位置，造成觸點被斷開，借此管控電路的通與斷。

1.1.2 伺服驅(qū)動器

選擇MS-S3型號帶數(shù)顯伺服驅(qū)動器運行更加平穩(wěn)，采用專用電機控制DSP芯片和矢量閉環(huán)控制技術(shù)，快速克服伺服驅(qū)動器丟步問題，同時提升電機性能，降低機器能耗?；旌纤欧?qū)動器系統(tǒng)高速心梗要比開環(huán)步進提高20%以上，有效轉(zhuǎn)矩能夠提升到70%以上，進而使電機在高速運動過程中保持高轉(zhuǎn)矩運行。采用電流控制技術(shù)，可根據(jù)負載不同，自動調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電流大小，進而有效降低電機和驅(qū)動器發(fā)熱，提高運行效率[14]。

主流的伺服驅(qū)動器都由數(shù)字信號處理器充當(dāng)管控的關(guān)鍵，能夠完成較為復(fù)雜的控制算法運算，達到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的目的。功率器件通常借助以智能功率為關(guān)鍵的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)存在驅(qū)動電路,并借助過電壓、過電流、過熱、欠壓等對電路進行安全監(jiān)測與保護,主回路中引入軟啟動電路,使啟動過程中驅(qū)動器產(chǎn)生的沖擊力減弱[15]。功率驅(qū)動模塊先借助三相全橋整流電路將進入的三相電市電執(zhí)行整合電流操作，獲得直流電。將整流完畢的三相電或者是市電，之后借助三相正弦PWM電壓型逆變器變頻使三相永磁式同步交流伺服電機被啟動。功率驅(qū)動模塊概括來說即為AC-DC-AC。整流模塊(AC-DC)的拓撲電路以三相全橋不控整流電路為主[16]。

1.2 編碼器

選擇h264R型號編碼器，具有可嵌入式硬件編碼、支持WINDOWS及LINUX等操作系統(tǒng)、支持多協(xié)議和多碼流、一鍵還原遠程升級維護，該編碼器支持1路高清HDMI音視頻采集功能，具有獨立音頻接口采集模式。編碼輸出雙碼流H.264格式，音頻MP3/AAC格式，畫面質(zhì)量可控制，使用方便，不存在硬件兼容性問題。使用H.264格式，具有穩(wěn)定高效、低時延、低碼率，高質(zhì)量視頻畫面，錯誤恢復(fù)功能等特點，支持多協(xié)議、兼容多平臺。

使用編碼器可將比特流數(shù)據(jù)進行編制和轉(zhuǎn)換，通過通訊、傳輸?shù)刃问?，將角位移或直線位移轉(zhuǎn)變成電信號形式。按照讀出方式編碼器可分為直接基礎(chǔ)和非接觸兩種，通過確定每個位置上的數(shù)字碼，可確定示意值和測量值的關(guān)系，進而確定起始和終止位置。采用高速端安裝方式，將其安裝于馬達轉(zhuǎn)軸端，該方法分辨率高，馬達轉(zhuǎn)動圈數(shù)在該量程范圍內(nèi)，可充分提高分辨率，保證來回有齒輪間隙誤差達到最小，不易于損壞編碼器。

1.3 微控制器

姿態(tài)控制器中的關(guān)鍵芯片利用ST意法半導(dǎo)體公司以Cortex- M4內(nèi)核結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)研制的STM32F407VGT6，它的通信接口資源可選擇性強、低功耗、低成本以及具備較全面的外設(shè)功能，而且可以進行FPU浮點運算，使數(shù)據(jù)運算精準(zhǔn)度有所提高。芯片把慣性測量模塊獲取到的加速度、角速度數(shù)值解算為姿態(tài)角，進行增量式控制算法分析，得出對應(yīng)占空比的PWM波。慣性檢測模塊由獲取到傳輸給主控制芯片需要大概3 ms時間，所以微控制器響應(yīng)速率需達到特定要求。以STM32F407VUT6特性角度看，接口選擇性多可以輕松達到上位機、串口、傳感器等對接口的標(biāo)準(zhǔn)需求。該控制器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 控制器參數(shù)設(shè)置

四旋翼控制器應(yīng)用32位ARM微控制器，168 MHz是頻率的最高值，作用是對多傳感器獲取的實時飛行器狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進行分析與處理。慣性測量模塊具有陀螺儀與加速度計，借助llC串行總線獲取、傳輸數(shù)據(jù)信息到主控芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理操作之后傳輸給1路PWM波控制電機。四旋翼姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 四旋翼姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)

2 自抗擾解耦模型控制算法

建立如圖4所示的OXYZ坐標(biāo)系。

圖4 四旋翼姿態(tài)控制器受力分析

坐標(biāo)原點為支撐點o，指向正前方電機X軸，指向右側(cè)電機是Y軸，利用左手定則將Z軸方向確定出受力方向。前向、左側(cè)、右側(cè)電機的轉(zhuǎn)動使螺旋槳轉(zhuǎn)動形成力沿著Z軸，設(shè)為正方向。尾端電機旋轉(zhuǎn)使螺旋槳轉(zhuǎn)動形成的力沿著Y軸，規(guī)定為正方向。

為分析動力學(xué)分析及構(gòu)建相關(guān)模型，有如下假設(shè)：

1)設(shè)定控制器是剛體，將系統(tǒng)摩擦力、電機阻尼轉(zhuǎn)矩忽略不計；

2)設(shè)系統(tǒng)左右部分對稱，質(zhì)心設(shè)在幾何中心o；

3)將伺服電機轉(zhuǎn)到特定轉(zhuǎn)速所需時長忽略不計；

4)設(shè)螺旋槳轉(zhuǎn)動時不發(fā)生形變。

設(shè)α、β、θ分別為滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角，l、E分別為螺旋槳中心至機體坐標(biāo)原點的距離、慣性力矩，令:

(1)

引入虛擬控制量Ri(i=1,2,3)及外部其他干擾λi(i=1,2,3)，設(shè)：

R=[R1R2R3]T=W(α，β，θ)[G1G2G3]T

(2)

則有：

(3)

式(3)中，ni(·)表示動態(tài)耦合，通過擴張狀態(tài)控制器軌跡值對動量加以補償，在控制輸入和輸出向量間并行嵌入自抗擾解耦模型就能實現(xiàn)控制器的解耦控制。

3 四旋翼姿態(tài)控制器軟件設(shè)計

四旋翼姿態(tài)控制器軟件部分采用Visual C + + 6.0平臺，引入自抗擾解耦模型控制算法實現(xiàn)四旋翼姿態(tài)解耦控制，并將控制信息發(fā)送至主機，主機接收信息，實現(xiàn)四旋翼姿態(tài)調(diào)控。

對于軟件設(shè)計要借助Visual C++6.0充當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計背景，建立對話框，通過界面設(shè)計以及有關(guān)程序設(shè)計，進行四旋翼姿態(tài)控制器性能模塊設(shè)計。借助軟件界面設(shè)計，用戶可以了解掌握控制器狀態(tài)，借助參數(shù)的設(shè)定，對空間飛行器飛行姿勢進行調(diào)控。

在Visual C + + 6.0平臺上，同步監(jiān)控上位機，需利用平臺編譯環(huán)境性能，能夠滿足實際效果需求。借助Visual C + + 6.0能夠達到主機同外界設(shè)備相連的目的，它的接口數(shù)據(jù)可以借助此模塊與儲存數(shù)據(jù)庫進行連接，程序流程設(shè)計如圖5所示。

圖5 控制流程設(shè)計

依據(jù)顯示控制器姿勢信息的變化，可設(shè)定人為數(shù)值的輸入或是滑桿控制，借助模式轉(zhuǎn)換能夠選取一種調(diào)控控制器飛行姿勢，調(diào)節(jié)之后將信息進行改變，依據(jù)協(xié)議格式通過編碼傳輸給控制器對飛行姿態(tài)進行調(diào)節(jié)。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態(tài)控制器合理性，需進行姿態(tài)調(diào)試。

4.1 實驗方法

四旋翼姿態(tài)控制器包括四旋翼機架、電調(diào)、電機、槳葉等構(gòu)件組成，在四旋翼室外試飛行之前，必須要進行調(diào)試來對四翼的滾轉(zhuǎn)、俯仰與偏航姿態(tài)的平穩(wěn)性進行判別。由于四旋翼槳葉飛速旋轉(zhuǎn)可能產(chǎn)生危險，借助萬向云臺以及四旋翼飛行器構(gòu)成姿態(tài)調(diào)試系統(tǒng)來檢測危險。

萬向云臺調(diào)試優(yōu)勢顯著：1)僅對四旋翼機體產(chǎn)生向下的力，不會改變飛行姿勢；2)能夠進行小范圍的調(diào)試保障安全。在該姿態(tài)調(diào)試平臺下，進行參數(shù)設(shè)置，為調(diào)試分析提供支持。

平臺參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 平臺參數(shù)設(shè)置

4.2 結(jié)果與討論

選取上述表2中的數(shù)據(jù)，信息參數(shù)獲取周期是40 ms，NRF24L01無線模塊把獲取的加速度、角速度以及姿態(tài)角等信息傳輸給上位機儲存，在不同周期下的XYZ軸加速度、角速度以及姿態(tài)角與時間關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 加速度、角速度和姿態(tài)角-時間曲線

圖6(a)的X,Y軸加速度由初始值漸漸接近零，而Z軸始終在零值附近波動；圖6(b)中3個軸上的角速度變小并有趨于一致的發(fā)展趨勢，呈大幅度下降趨勢；圖6(c)中姿態(tài)角在小幅度的范圍里波動，從3個變量運動趨勢中能夠判斷四旋翼逐漸趨于平穩(wěn)。

依據(jù)上述內(nèi)容，分別采用傳統(tǒng)非線性控制器和以自抗擾解耦為基礎(chǔ)的控制器進行四旋翼姿態(tài)控制研究。

表3 兩種控制器加速度控制對比結(jié)果 m/s2

表4 兩種控制器角速度控制對比結(jié)果 m/s

表5 兩種控制器姿態(tài)角控制對比結(jié)果 (°)

根據(jù)上述內(nèi)容可知，采用自抗擾解耦控制器要比傳統(tǒng)非線性控制器更貼近實際控制效果。針對加速度控制分析，采用傳統(tǒng)控制器缺少運動控制板卡，無法獲取驅(qū)動電流，導(dǎo)致加速度控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器支持4軸聯(lián)動，具有USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，采用全速傳輸模式，加速度控制效果較好；針對角速度控制分析，采用傳統(tǒng)控制器缺少繼電器，導(dǎo)致角速度控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器可通過銜鐵在電磁力吸引下擺脫復(fù)位彈簧的拉力被鐵心吸引過去，角速度控制效果較好；針對姿態(tài)角控制分析，采用傳統(tǒng)控制器缺少該步驟的設(shè)計，導(dǎo)致姿態(tài)角控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器通過增量式控制算法獲取姿態(tài)角，姿態(tài)角控制效果較好。

5 結(jié)束語

引進自抗擾控制技術(shù)，以自抗擾解耦為基礎(chǔ)的四旋翼姿態(tài)控制器被設(shè)計制造出，以俯仰通道作為例子，證實了自抗擾控制器是有效果的。借助參數(shù)整合和仿真結(jié)果表示，制造的自抗擾控制器魯棒性強、抗干擾性強，系統(tǒng)有優(yōu)良的動態(tài)性和強穩(wěn)態(tài)性能，有效管控非線性耦合系統(tǒng)。設(shè)計制造的控制器應(yīng)用的信號在現(xiàn)實應(yīng)用的系統(tǒng)中都能夠借助傳感器進行數(shù)據(jù)信息的檢測，可行性強，后續(xù)可進行高精確度的檢測應(yīng)用，借助高階滑模設(shè)計更深層次地避免顫振現(xiàn)象，將控制器中部分復(fù)雜函數(shù)項簡化、近似處理，為控制方法在現(xiàn)實四旋翼無人機系統(tǒng)應(yīng)用上提供技術(shù)支持。