旋翼無(wú)人機(jī)復(fù)雜地形自動(dòng)平衡著陸架的設(shè)計(jì)

劉鋼

(空軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院基礎(chǔ)部,吉林 長(zhǎng)春 130022)

1 概述

目前,無(wú)人機(jī)或無(wú)人飛行器應(yīng)用越來(lái)越廣泛,主要應(yīng)用于航拍、航空偵察、目標(biāo)跟蹤、火情預(yù)警、噴灑農(nóng)藥等等。無(wú)人機(jī)基本采用的都是固定支架作為著陸架,但這種著陸架對(duì)著陸地面要求比較高,需要地面平坦,傾斜角度小。而對(duì)于一些著陸地面凸凹不平或有臺(tái)階,或傾角較大,要想保持無(wú)人機(jī)機(jī)身水平,保證視頻質(zhì)量不受影響是十分困難的。這就要求我們的著陸架可以根據(jù)地形進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,或針對(duì)顛簸的甲板進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整,以保證機(jī)身的水平,保證視頻質(zhì)量不受影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)CPU 選擇了STM32F103 系統(tǒng)板,首先在無(wú)人機(jī)降落時(shí)接近降落面100cm 時(shí)啟動(dòng)對(duì)降落面地形的檢測(cè),主要是通過(guò)超聲波測(cè)距模塊對(duì)四個(gè)著陸點(diǎn)進(jìn)行距離檢測(cè),根據(jù)地形的不同來(lái)調(diào)整著陸架的四個(gè)著陸腿,使其四個(gè)著陸腿到著陸點(diǎn)的距離始終保持一致,主要CPU 通過(guò)控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制8 個(gè)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。著陸過(guò)程中始終要保持機(jī)身水平,逐漸著陸。當(dāng)著陸后,通過(guò)MPU6050 模塊檢測(cè)出機(jī)身固定架平面與各軸的夾角,通過(guò)PID 算法來(lái)繼續(xù)調(diào)整著陸腿舵機(jī),使機(jī)身固定架,也就是無(wú)人機(jī)機(jī)身保持水平。[1-2]

圖2 為自動(dòng)平衡著陸架機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 自動(dòng)平衡著陸架機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)平衡著陸架主要由機(jī)身固定架和四個(gè)著陸腿構(gòu)成,機(jī)身固定架用于固定無(wú)人機(jī),著陸腿根據(jù)著陸點(diǎn)的不同,由8 個(gè)舵機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)著陸腿的不同角度,在調(diào)節(jié)過(guò)程中盡量使下方著陸腿與機(jī)身固定架平面垂直,也就是保證超聲波模塊發(fā)射超聲波方向能垂直向下。

2.2 系統(tǒng)各模塊選擇

2.2.1 CPU 的選擇[3-4]

圖3 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID 控制原理框圖

圖4 仿真曲線圖

CPU 選擇了STM32F103 系統(tǒng)板,其采用的是Cortex-M3 內(nèi)核,該內(nèi)核采用ARM V7 構(gòu)架。工作頻率最高可達(dá)到36MHz,1個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,80 個(gè)I/O 端口,3 個(gè)16 位定時(shí)器,7 個(gè)通信接口,基于以上優(yōu)越的性能,所以選擇了該系統(tǒng)板。

2.2.2 超聲波模塊的選擇

超聲波測(cè)距主要利用的是超聲波模塊發(fā)出超聲波,遇到障礙物返回,測(cè)量出發(fā)出超聲波與接收到回波的時(shí)差,就可通過(guò)以下公式計(jì)算出超聲波模塊到障礙物的距離。

測(cè)距的公式表示為：L = c ×(T/2)

式中L 為測(cè)量的距離；c 為超聲波在空氣中的傳播速度；T為發(fā)出超聲波與接收到回波的時(shí)差。(已知超聲波速度c=340m/s(20℃室溫))。

超聲波測(cè)距模塊選擇HC-SR04,測(cè)距范圍為2cm-400cm,測(cè)量精度可達(dá)3mm,模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路。

2.2.3 三軸角度傳感器的選擇[5]

MPU-6000(6050)的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000 與±2000°/sec (dps),可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作,并且,用戶可編程控制的加速器感測(cè)范圍為±2g、±4g±8g 與±16g。傳輸數(shù)據(jù)可通過(guò)最高至400kHz 的I2C 接口。

2.3 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID 控制算法

如圖3 是控制原理框圖。該算法可根據(jù)誤差及其變化率來(lái)計(jì)算比例、積分微分常數(shù),既滿足系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性,又能避免較大的超調(diào)量。

該算法在計(jì)算比例、積分、微分常數(shù)規(guī)則是偏差較大時(shí),根據(jù)模糊規(guī)則選取較大的比例系數(shù),較小的微分常數(shù)和較大的積分常數(shù)；偏差中等時(shí),選取適中的比例系數(shù),較小的微分常數(shù)和適中的積分常數(shù)；偏差較小時(shí),比例選取較小的比例系數(shù),適大的積分常數(shù),微分常數(shù)在誤差變化量大時(shí)要小些,反之則大些。

3 模糊參數(shù)自適應(yīng)PID 算法仿真實(shí)驗(yàn)與總結(jié)

系統(tǒng)的仿真曲線如圖4 所示。從圖中可以看出,采用參數(shù)自適應(yīng)PID 控制算法(曲線2)比基本PID 控制算法(曲線1)的系統(tǒng)超調(diào)明顯減小,最大超調(diào)量由原來(lái)的25%降低到4%,同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間大大縮短,由原來(lái)的23ms 降低到12ms,從而全面地改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。