四旋翼無人機自主飛行控制的設計和應用

彭塵雨

摘 要：旋翼無人機目前廣泛應用于各個領域，應用價值較高，不過自主飛行控制設計難度較大。該文對四旋翼無人機自主分型控制設計中的重難點進行了分析，并選擇整體結構設計、力學模型建立和系留試驗三個程序簡要分析了飛行控制的設計與應用。

關鍵詞：翼無人機 飛行控制 系留試驗

中圖分類號：V249 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0073-01

四旋翼無人飛行器是目前廣泛應用于偵查、監視、通信、搜救、巡邏、航拍等領域的重要器具，擁有多重優勢和廣闊應用前景，目前無論是軍用還是民用都有較高價值。這種飛行器以十字形交叉結構確保穩定性、平衡性，實現精確飛行，具有強耦合、多變量、欠驅動、非線性等復雜特征，所以自主飛行控制設計難度較大，廣泛涉及空氣動力學、材料工程和自主飛行控制等多個領域。下面我們對四旋翼無人機自主飛行的控制設計和應用做簡要分析。

1 四旋翼無人機飛行控制設計重點

四旋翼無人飛行機主要是通過控制其四個旋翼達到飛行控制的目的，控制設計的關鍵集中在飛行控制和導航兩個問題上。

在控制設計中，重點主要為精確建模、欠驅動系統的控制和平衡控制。由于四旋翼模型本身具有不確定性，在飛行中易受多種因素影響干擾平衡控制，比如地球重力、空氣阻力等因素都會干擾氣動性能參數的影響，所以精確建模難度較大[1]。此外，在無人機載荷改變時、改用液態燃料做動力源時都會導致模型質量發生變化，這種質量上的變化也會增加精確建模的難度。欠驅動系統具有強耦合、多變量和非線性特征，比起一般全驅動系統控制難度大，所以設計難度也較高。四旋翼無人機本身體積小、載荷固定，需搭載傳感器，質量上的變化直接影響了精確數據的獲取，對系統穩定控制提出高難度挑戰。從目前四旋翼無人機自主飛行控制發展路程來看，不少技術問題已經可以憑借微電子技術和納米技術予以解決，但是更多的問題還有漫長的研究實踐路程要走，所以，只有最大限度的不斷加強研究探索，才能始終走在科技前沿，實現無人飛行器的實用化，在探索實踐中實現技術和理論的升級，服務控制設計[2]。

2 四旋翼無人機自主飛行控制設計

四旋翼無人機自主分型控制設計主要包括整體結構設計、建立動力學模型、處理飛行姿態數據、控制算法仿真與系留試驗幾個環節，下面我們選取其中兩個環節做應用分析。

2.1 整體結構設計

自主飛行控制系統主要包括機載和地面兩大部分，二者控制邏輯互相關聯、物理獨立，飛行控制系統主要由通信模塊、地面控制模塊、飛行控制模塊和傳感器模塊等構成。

從系統結構框架來看，傳感器模塊是重要構成部分，負責飛行參數的測量，具體包括羅盤、陀螺儀、高速與速度傳感器等。四電機控制模塊通過控制電機轉速、無刷直流電機等控制飛行狀態，促使其達到預期姿態和位置。飛行控制模塊作為核心部分，對采集姿態信息和數據完成復雜運算處理從而發送合理控制指令，轉化為控制信號驅動四電機工作，保持飛行穩定性。通信模塊通過遙控設備與地面建立控制，控制飛行器的運動，保持穩定飛行時的實時受控。電源模型主要為飛行提供電力。四旋翼無人機的飛行還要嚴格遵照規劃設計指標，控制體積、有效載荷、飛行半徑及航向姿態、俯仰姿態、橫滾姿態的精度與誤差控制，這些都涉及到飛行器的設計，還必須兼顧性價比。飛行器的穩定性是重要指標，所以減震措施必不可少，通過控制輸出波動達到減震效果。安全方面，還要設置安全隔離和紅外傳感器達到安全控制與飛行效果。

硬件設計方面，控制單元選擇可選用stm32芯片作為飛行控制器，其技術較為成熟，運算能力強，可很好的實現控制算法的植入，運行效率佳，數據控制器可選用XE166FM-72F單片機，控制電路的設計必須兼顧多種功能。無刷電機驅動可選用POWERMOSFET控制，提升輸出精度，降低編程難度。傳感器方面無線模塊可選用APC-220無線串口通信模塊，實現一對多通信，配合433 MHz數據傳輸模塊可實現微功率高效傳輸，提升抗干擾能力和靈敏度。至于遙控設備可選用天地飛WFT06II高速6通道遙控設備，提升操作敏捷度。姿態數據傳感器可選用MMA7260型號，ENC-03型號構成的陀螺儀，動力螺旋槳可選用新西達9050和1045規格。

飛行軟件的設計需要編寫控制算法，考慮到穩定飛行需求，算法選用小擾動性自適應PID控制算法。考慮到以上使用的材料，應用軟件分析設計流程，完成飛行控制、控制執行、數據轉發、數據讀取等設計任務。比如飛行控制程序流程，要細化控制流程并處理外部傳感器對環境及姿態數據的處理。

飛行器平臺的構成以四個旋槳為主，增加升力、提升有效載荷的同時利于解決結構控制量較多的問題。飛行姿態與位置的控制依靠四個無刷直流電機轉速改變實現，這種欠驅動系統通過變化輸入力達到控制六自由度運動，實現準靜態和靜態條件下飛行，輸入力的穩定需要依靠控制算法實現[3]。

整體結構設計、硬件軟件設計完成，飛行平臺建立為下一步建立力學模型提供基礎依據。

2.2 力學模型的建立

無人機自主飛行控制的實現需要建立力學模型，力學模型中可使用慣性坐標系、機體坐標系完成無人機運動中坐標系的轉換，確定各次基本旋轉所對應的變換矩陣。力學模型的建立要考慮升力大小、飛行器重力、空氣動力之間的變化關系來確定飛行姿態與位置的控制。尤其是動力學模型，要根據物理定律建立模型，考慮影響運動的關鍵受力和力矩，利用推導傳遞函數歸類控制量，對四個飛行控制量升降、橫滾、俯仰、偏航產生力的作用實現各種運動。可根據設計要求建立了可靠的控制模型之后，飛行姿態數據處理、控制算法仿真與系留試驗才成為可能。

2.3 系留試驗

系留試驗要根據設計中現有條件在實際過程中逐步完成，比如控制器設計初期不穩定時可選用預留短線驗證飛行過程，完成對飛行器原理的驗證。驗證完飛行原理之后，要搭建專門的實驗平臺檢測飛行姿態，并進行控制器的優化設計，要在試驗平臺上進行三自由度運動，對關鍵部件運行效果進行觀察。通過驗證的飛行器意味著設計具有可行性，能夠進行分型，還能為日后實驗穩定性、自主飛行提供可靠參考數據。

總的來說，四旋翼無人機的自主飛行控制設計涵蓋多個領域，復雜性、難度性都較高，需要在設計過程中對機械結構、飛行動力和控制算法等進行最優化設計，以完成自主飛行控制。

參考文獻

[1] 龐慶霈.旋翼飛行器設計與穩定控制研究[D].中國科學技術大學，2011.

[2] 胡宇群.型飛行器中的若干動力學問題研究[D].南京航空航天大學，201.

[3] 黃牧.于反步法的微型四旋翼無人飛行器非線性自適應控制研究[D].天津：天津大學，2009.endprint