基于MEMS的低成本多旋翼飛控設計以及實現*

周新淳

(寶雞文理學院，陜西 寶雞 721016 )

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基于MEMS的低成本多旋翼飛控設計以及實現*

周新淳

(寶雞文理學院，陜西 寶雞 721016 )

隨著多旋翼飛行器應用場景的增多以及MEMS傳感器技術的進步，低成本MEMS傳感器應用在多旋翼飛控上需求越來越廣。研究設計了一種基于MAX21000+ADXL362+HMC5983+MS5611等MEMS傳感器的多旋翼飛控，處理器采用STM32F407，大大降低了硬件成本。在算法層面，姿態通道采用線性自抗擾(LADRC)中的微分跟蹤器和線性狀態擴張器，減少了超調，提高了抗干擾能力，實現了姿態控制和定點飛行等功能。經實際飛行表明，基于MEMS傳感器的低成本多旋翼飛控具有成本低、性價比較高和算法簡潔等優點，非常適合消費級多旋翼使用。

MEMS; 多旋翼無人飛行器；飛行控制；姿態解算；線性自抗擾

自1916年Lawrence和Sperry制造了第1架無人機發展至今，無人機已經成為一個活躍在軍事、工業、服務和娛樂領域規模龐大的產業。無人機的類型可分為固定翼、單旋翼、多旋翼、撲翼和飛艇等[1-2]。其中，多旋翼飛行器以其獨有的飛行特性，得到了越來越多的關注和應用。隨著多旋翼飛行器在消費領域的推廣，遇到的最大問題就是傳統飛控成本價格遠遠超出了產品所能承受的范圍。

本文所設計的基于MEMS傳感器的多旋翼飛控，采用了美信公司生產的MAX21000三軸MEMS陀螺儀、ADI公司的ADXL362三軸加速度傳感器、霍尼韋爾公司的HMC5983三軸磁傳感器以及MEAS公司的MS5611氣壓傳感器。上述傳感器都采用SPI總線，具有高速、可靠和接口一致性好等特點。GPS采用UBLOX公司的M8N多星座接收機，與上述傳感器組成一套完整的導航設備。處理器采用STM32F407，其有一個定點FPU運算器，負責數據采集、導航計算、導航控制計算和電動機控制等任務，具有價格便宜、功耗小等優點。

為了最大限度地提高姿態控制超調和抗干擾能力，姿態控制算法采用線性自抗擾(Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC),而位置控制通道采用PID控制[3]，極大地節省了計算資源。

1 多旋翼飛控設計概述

多旋翼飛控硬件框圖如圖1所示。IMU采用MPU6000，其是一款六軸傳感器，包括三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器。GPS/COMPSAA為GPS與外部電子羅盤模塊，采用Ublox-M8N和HMC5883L，通過1路UART和1路I2C接口將數據送入飛控芯片。飛控芯片通過1路PPM接口讀取遙控器信息。電源為飛控芯片供電，并且支持1路電壓與1路電流采樣，以便能夠實時了解電池電壓和放電電流大小。LED系統為1路I2C接口，控制飛機狀態LED顯示以及外掛其他I2C設備。電動機控制的PWM接口的脈寬為1～2 ms，頻率為50 Hz，支持4路電動機；輔助控制通道可分為3路云臺運動通道和1路腳架運動通道，支持脈寬為1～2 ms，頻率為50 Hz。處理器采用ST公司的M4內核處理器(STM32F427)，其具有外設齊全、處理數據能力強、存儲能力大以及價格便宜等特點，非常適合低成本的多旋翼飛控[4]。

圖1 多旋翼飛控硬件框圖

2 多旋翼飛控導航算法編排

多旋翼飛行器的運動可以分為飛行和懸停，針對這一特點設計了2套導航算法。當多旋翼飛行器處在飛行狀態時，由于GPS可以提供比較精確的位置和速度參考，采用基于姿態速度誤差方程的15狀態量拓展卡爾曼算法具有很好的可觀性，因此可以采用GPS/INS松組合算法；當多旋翼飛行器處在懸停狀態時，由于姿態速度誤差方程航向通道不具有可觀性，而且這時外部加速度很小，因此采用四元數、三軸陀螺儀零位7狀態量拓展卡爾曼和以三軸加速度、三軸磁為觀測量的AHRS算法。

1)當多旋翼飛行器處在飛行狀態時，采用GPS/INS松組合算法[5]。狀態量選取3個方向的速度誤差、3個姿態角誤差、3個方向的位置誤差、3個陀螺儀的零偏以及3個加速度傳感器的零偏。

(1)

(2)

2)當多旋翼飛行器處在懸停狀態時，采用四元數、三軸陀螺儀零位為7個狀態量，三軸加速度輸出、三軸磁輸出為觀測量。

狀態方程如下：

(3)

(4)

(5)

觀測方程如下：

(6)

卡爾曼算法很多文獻都有講解[6-7]，本文不在贅述。

3 多旋翼飛控導航控制算法編排

由于多旋翼飛行器具有控制通道間強耦合、非線性的特性，很難建立精確模型；因此，本文采用“以誤差反饋消除誤差”的原則，將各位置、姿態通道控制獨立出來進行控制[8]。

飛控的Pitch/Roll通道采用線性自抗擾算法(LADRC)，以增強其魯棒性以及抗干擾能力。由于多旋翼的YAW通道以及位置通道控制動態比較低，因此采用一般的PID進行控制[9]。

用輸入信號通過跟蹤微分器(Tracking Differentiator, TD)安排過渡過程，其離散形式可以表示為：

式中，fhan(x1,x2,a,h)函數為韓函數[9]。

用線性狀態擴張器(Liner Extended State Observer, LESO)估計各個狀態量，并且估計出內外的干擾，其2階離散狀態方程可以表示為：

式中，e(k-1)為k-1時刻狀態估計值與狀態值之差；y(k-1)為各姿態通道的姿態值；z1(k)、z2(k)和z3(k)為k時刻估計的狀態量，其中z3(k)為估計的總干擾量；b0為輸入增益；u(k-1)為k-1時刻控制輸出；β1、β2和β3為3個參數，可以分別表示為3ω0、3ω02和3ω03。

姿態通道控制框圖如圖2所示。

圖2 姿態通道控制框圖

由于PID控制是一種非常通用的控制算法，此處不在贅述。

4 仿真實驗

姿態測量精度見表1。

表1 姿態測量精度表

姿態通道采用的LADRC中的TD、LESO算法，采用分開仿真的方法驗證了其有效性[10](見圖3～圖6)。由圖3～圖6可知，算法中加入了TD、LESO后，能夠有效地提高相應能力，抑制突然干擾。

5 結語

仿真和實際飛行測試表明，基于MEMS傳感器的低成本多旋翼飛控能夠滿足姿態飛控和定點飛行等功能要求。由于該設計采用TD、LESO以及PID算法，既能極大地提高姿態控制的抗超調、抗干擾能力，又考慮了工程實際中簡單有效的基本原則；并且此飛控采用的器件都是MEMS傳感器，因而具有價格低、體積小、質量輕以及功耗低等優點[11]，非常適合低成本、載荷有效的多旋翼使用。

圖3 Pitch通道PID與加入TD后對比

圖4 Roll通道PID與加入TD后對比

圖5 Pitch通道PID與加入LESO后對比

圖6 Roll通道PID與加入LESO后對比

[1] Nonarni K，Nishimura H，Hirata M．Control system design by Matlab[M]．Japan：Tokyo Denki University Press，1998．[2] Wang W， Suzuki S，Nonami K，et a1．Fully autonomous quad-rotor MAV and flying performance with complete bedded system[C]//the 9th International Conference on Motion and Vibration Control，2008．

[3] 徐博達，于丹陽，趙宏偉，等.一種四旋翼兩棲機器人的設計分析[J].新技術新工藝，2015(6)：53-58.

[4] 劉永浩,王鵬,王霞. 臨場感遙操作機器人系統中的虛擬動力學檢測算法[J].新技術新工藝，2015(12)：56-59

[5] 黃水長,栗盼,孫勝娟,等. 基于NuttX的多旋翼飛行器控制系統設計[J].電子技術應用，2015(3)：41-43，47.

[6] 廖懿華,張鐵民,廖貽泳. 基于模糊-比例積分偏差修正的多旋翼飛行器姿態測算系統[J].農業工程學報， 2014(20)：19-27.

[7] 王凱,馬騰達,周德新. 基于多傳感器融合的四旋翼飛行器姿態監控[J].測控技術，2015(3)：21-24.

[8] 李運堂, 賈宇寧, 王鵬峰, 等. 基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件系統設計[J].傳感器與微系統，2015(2)：119-121，142.[9] 余莉,顧澤滔,王偉,等. 四旋翼無人機的高度控制[J].測控技術，2016(1)：73-76.

[10] 彭孝東,陳瑜,李繼宇,等. MEMS三軸數字陀螺儀標定方法研究[J].傳感器與微系統，2013(6)：63-65,69.

[11] 姜強,曾勇,劉強,等. 四旋翼飛行器姿態航向參考系統設計與實現[J]. 控制工程，2013(A1)：167-169，172.

* 寶雞市科技局農業攻關項目(14NYGG-5-7) 寶雞文理學院院級重點項目(ZK11145)

責任編輯 馬彤

Design and Implementation of the Low-cost Multi-rotor Flight Control System based on MEMS

ZHOU Xinchun

(Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016, China)

With the increasing application of the multi-rotor unmanned aerial vehicles and the progress of the MEMS sensor technology, the use of MEMS sensors in the multi-rotor flight control system is more widely. Design a multi-rotor flight control system based on several MEMS sensors including MAX21000, ADXL362, HMC5983 and MS5611, and the processor uses STM32F407, which can reduce the cost of the hardware greatly. In algorithm, the tracking differentiator and linear extended state observer in linear active disturbance rejection control are applied in the attitude estimation, which reduces the overshoot, improves the ability of anti-interference and realizes such functions as attitude control and landing. The practical flight shows that the low-cost multi-rotor flight control system based on MEMS sensors has the advantage of low cost, high performance, simple algorithm and so on, and it is very suitable for the use of consumptive multi-rotor.

MEMS, multi-rotor UAV, flight control, attitude estimation, LADRC

TP 212.9

A

周新淳(1983-)，男，講師，碩士，主要從事信號處理、測控電路等方面的教學和研究。

2016-06-24