基于互補融合算法的四旋翼飛行器軟件設計

楊濤遠，張鳳登

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

基于互補融合算法的四旋翼飛行器軟件設計

楊濤遠，張鳳登

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093)

四旋翼飛行器作為當今一種非常流行的飛行器，涉及多學科交叉技術以及各個領域。隨著相關技術的發展，四旋翼飛行器變得更加小型化與智能化，應用領域也更廣。通過研究飛行控制原理與姿態解算，對四旋翼飛行器進行了軟件設計。硬件選用STM32F103C8T6作為主控制器，并以MPU6050作為慣性測量模塊。軟件設計中采用互補融合的控制算法估算六自由度飛行姿態，并采用PID算法進行整定和控制。通過這種姿態融合，可控制飛行器平穩起停和飛行，經實驗室調試效果良好。

四旋翼飛行器；姿態解算；互補融合

0 引言

隨著MEMS傳感器技術、控制技術等電力電子技術的飛速發展，四旋翼飛行器的發展逐漸趨于微型化和小型化。四旋翼飛行器屬于無人飛行器的一種，由于控制算法不斷優化，其電路板設計得更加緊湊，在社會生產中的應用也越來越廣泛[1]。

四旋翼飛行器基本結構比較簡單，飛行控制系統由槳葉、無刷電機、機身軸翼部分組成。本設計選擇F450機架作為設計的機身，安裝在機體上的無刷直流電機為四旋翼飛機提供飛行升力，中心部位也即控制中心安裝了控制系統的各個模塊。

如今，四旋翼飛行器得到越來越多公司的關注，對四旋翼飛行器的實用化也得到更多科技領域的支持。雖然目前四旋翼飛行器的研究控制技術已較為成熟，但還存在許多困難需要解決，如飛行器的電池續航問題等。作為多領域交叉學科，對四旋翼飛行器研究的深入，將不斷推進相關領域的研究。

1 研究現狀與內容

1.1 研究現狀

近年來，四旋翼飛行器的開發在高速微處理器的發展下獲得了重大突破。由于四旋翼飛行器極為廣闊的應用前景，諸多開發者對其進行了研究，以下介紹國內外幾款較為成熟的四旋翼飛行器產品：

(1)AR Drone四旋翼飛行器。2010年，法國Parrot公司推出了一款微型四旋翼玩具AR Drone。作為一個科技含量較高的產品，它表現出的性能十分優異。此款飛行器操作簡單，且其飛行控制系統中包含超聲波測距傳感器和攝像頭，結合高性能微處理器進行姿態解算和飛行控制，穩定性較強。此款飛行器的流行使普通群眾廣泛接觸到了新型四旋翼飛行器。

(2)賓夕法尼亞大學四旋翼飛行器。2012年，賓夕法尼亞大學的VijayKumar教授帶領團隊制作四旋翼飛機，掀起了四旋翼飛行器的研究熱潮。在大會上，VijayKumar教授用大量公式簡單推演了關于四旋翼飛行器的姿態控制。在演示中，四旋翼飛行器憑借著良好的控制策略完成了多種飛行姿態，這意味著飛行控制算法的逐漸成熟。

(3)大疆四旋翼飛行器。大疆創新科技有限公司是中國深圳的一家四旋翼飛機公司，它提供了較為成熟的四旋翼飛行器方案。大疆公司2013年推出的DJI Phantom使四旋翼飛機市場發生了巨大變化。其飛控系統不僅包括原來的姿態解算模塊，而且為了實現精確定位定高的能力，飛控系統中還加入了圖像處理模塊和全球定位系統模塊。同時在消費級市場上，為了滿足用戶需求，這款飛行器更是裝載了自穩云臺便于裝載攝像機進行攝像。

1.2 研究內容

本設計是制作一個四旋翼飛行器的模型樣機，然后根據樣機進行飛行控制算法的研究。研究內容主要分為以下幾部分：①四旋翼飛行器的總體控制方案；②系統軟件設計：分為姿態解算部分與電機驅動部分，并運用PID控制算法調節穩定性；③系統調試。

其中，四旋翼飛行器中的姿態解算是最重要的組成部分，飛行控制器的自動控制實現是設計中的重點與難點。

2 控制系統設計

2.1 總體設計

本系統的控制軟件采用基于STM32的C語言編寫。本系統的軟件設計主要是將遙控輸入信號重新編碼，然后對采集的數據進行數據融合，通過控制器使飛機保持穩定的姿態，最后控制電機[2]。系統框圖如圖1所示。遙控信號輸入后與姿態解算出來的角度形成差值，然后經過PID控制器控制飛行姿態角，再通過PWM信號輸出給電機，控制飛行器的飛行狀態。

圖1 飛行控制軟件總設計

根據飛行器控制的總體設計思路，本設計的整體程序流程如圖2所示。程序開始時，加載系統時鐘。然后對各個模塊進行初始化，其中有兩個初始化非常重要：①MPU6050的初始化；②陀螺儀加速度計的零偏消除。根據每次采集到的遙控信號和姿態解算出來的角度進行最后的PID控制。

圖2 總程序流程

2.2 姿態解算

姿態解算算法實現總框圖如圖3所示。本設計利用陀螺儀測量出的角速度值進行解算，但是由于角速度在積分過程中會產生漂移，所以本設計需要角速度計進行互補融合，得出實時四元數的值，然后通過實時四元數的值轉換成歐拉角的角度值進行控制[3-4]。

圖3 互補融合姿態解算實現框圖

陀螺儀和加速度計由MPU6050獲取。MPU6050內部集成了3個16位的ADC，能夠將測量的模擬量轉化為數字量輸出，而且該模塊是可編程模塊，可以通過寄存器修改用戶想要的效果。如圖3所示，由于加速度計和陀螺儀存在零漂，所以每一次啟動飛機后都要去除零漂。在啟動前，加速度計和陀螺儀在穩定時先取2 000次值，針對這2 000次值求平均值，然后x、y、z軸減去相應的平均值，零漂則能被較好地消除。同時，加速度計容易受到機體震動影響，所以本設計使用加速度計時都需要對其進行均值濾波后才能使用。

2.3 電機控制

對于四旋翼飛行器的控制器設計采用的是傳統的數字位置式PID控制器。數字位置式PID控制器如下[5,6]：

(1)

其中，uk是第k次采樣的輸入，ek是第k次偏差，ek-1是第k-1次偏差，Kp、Ki、Kd是PID控制器的比例、積分和微分參數。

圖4 串級PID控制器

圖4中PID采用位置式PID控制器，四旋翼飛行器會產生不良阻尼效應的最重要原因是角速度變化，所以在內環增加對角速度的增穩，會使四旋翼飛行器的飛行更具穩定性[7]。

本次設計采用無刷直流電機。該電機的優點在于無電刷和換向器，使得無刷直流電機的壽命遠遠大于普通的有刷電機。無刷形式的電機擁有較強的實用性，例如交流式鼠籠式異步電機，這種電機在早期電子技術不發達時使用廣泛。但是隨著晶體管的發展，人們開始越來越多采用晶體管開關電路實現電子調速，最終產生了采用晶體管代替電刷和換向器的無刷直流電機。

無刷直流電機具有以下特點：①調速性能更好，可以代替有刷直流電機；②沒有電刷和換向器，同時兼具普通直流電機的特點；③在重量和體積較小的情況下繼續保持大負載能力；④啟動轉矩大，同時啟動電流小，體現了較高的轉矩特性；⑤因為沒有電刷和換向器，所以沒有勵磁損耗和碳刷損耗；⑥可靠、穩定、適應性強。圖5為程序實現圖。

圖5 電機控制流程

3 實驗結果

根據本設計測試姿態解算程序，發現在小機動情況下程序表現完好，但是在大機動情況下，尤其是飛機側翻時程序完全失控。最終進行PID調試，如圖6所示。PID調試采用單軸分別調試，將每根軸的歐拉角調試好，最后實現飛行。

圖6 飛機調試

所以本設計將飛機固定在一根軸上讓其只能在一個軸運動，則實現了單軸調試。

本設計采用PID試湊法進行參數整定。由于系統是位置式PID算法，所以采用閉合回路法進行整定，而且是串級PID整定法。因此，需先整定內環參數。

內環是角速度環，角速度要達到的效果是保持在一個角度上穩定不震蕩，整定參數如表1所示。

表1 內環PID整定參數

外環是速度環，配合內環可以達到使整個過程平穩飛行的效果，整定參數過程如表2所示。

4 結語

四旋翼飛行器是一種需要高穩定控制算法的飛行器，在未來，無論是消費級還是軍用級都有著良好的應用前景。四旋翼飛行器通過特殊的飛行控制算法實現了不同形式的飛行模式，雖然算法較為復雜，但在無人機領域發揮了重要作用。本設計通過算法設計、樣機制作初步實現了四旋翼飛行器。設計飛行器的過程涉及多學科交叉技術，具有較強的理論與實際意義。本設計在過程中作了以下研究：①對四旋翼飛行器的飛行控制原理進行了剖析，初步理解了飛行控制的方式；②對控制信號、遙控信號的原理進行分析，在程序中實現對系統的輸入；③本設計的重點在于姿態解算，最終完成對歐拉角的姿態解算。同時對于PID控制算法也有實際體驗，對系統進行了大量的PID試湊，最終實現穩定飛行。

表2 外環PID整定參數

在設計中還存在以下不足之處：①未對系統進行建?；驅︼w機進行系統辨識，作為一個多輸入與多輸出系統，在PID調試中一味地靠試湊，而未根本地從系統分析出發，所以在調試中浪費了很多時間；②由于采用的算法受限，所以飛機不能進行大范圍的機動飛行；③飛機受擾動較強。

此次設計之后，對四旋翼飛行器有了更深認識，對其未來有以下展望：①飛行器的自主飛行功能更強。隨著傳感器技術的不斷進步，四旋翼飛行器將具有更強的環境適應能力；②多功能飛行。未來，四旋翼飛機能協助人們做更多事，如載貨、探險等；③體積微型化。體積越來越小，可從事更多危險工作。

[1] 王淑華.MEMS傳感器現狀及應用[J].微納電子技術,2011,48(8):516-522.

[2] KILLAN.Modern control technology:components and systems[M].American:wiley,1996:335-337.

[3] 孫麗.捷聯慣導系統姿態算法比較[J].中國慣性技術學報,2006,14(3):6-10.

[4] 秦永元.慣性導航[M].北京:科學出版社,2006:12-70.

[5] 秦永元.捷聯式慣性導航系統[M].北京:國防工業出版社,1992:20-120.

[6] 陸偉男.基于四旋翼飛行器的雙閉環PID控制[J].科學技術與工程,2014,14(33):128-130.

[7] 馮慶端,裴海龍.串級PID控制在無人機姿態控制的應用[J].微計算機信息,2009(22):9-10,45.

(責任編輯：黃 健)

上海市自然科學基金項目(15ZR1429300)

楊濤遠(1993-)，男，上海人，上海理工大學光電信息與計算機工程學院碩士研究生，研究方向為汽車電子與現場總線；張鳳登(1963- ),男，上海人，博士，上海理工大學光電信息與計算機工程學院教授，研究方向為汽車電子與現場總線。

10.11907/rjdk.162720

TP319

A

1672-7800(2017)003-0086-03