四旋翼飛行器姿態(tài)控制半實物仿真

四旋翼飛行器是一種能夠垂直起降（VTOL）、自主懸停的飛行器，具有體積小、重量輕、隱蔽性好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、機動性強、安全性好等諸多優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巡邏執(zhí)法、地形勘測、災(zāi)難救援、農(nóng)林植保等領(lǐng)域。四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計是其任務(wù)實現(xiàn)的關(guān)鍵。基于dSPACE半實物仿真技術(shù)的飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計，是一種置信水平較高的方法，已經(jīng)成為研究熱點。

dSPACE實時仿真系統(tǒng)是由德國

dSPACE （digital Signal Processing and Control Engineering）公司開發(fā)的一套基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試平臺，它實現(xiàn)了與MATLAB/Simulink的無縫連接。dSPACE具有將設(shè)計軟件（MATLAB）與硬件模塊（電機、開關(guān)、輸入輸出（IO）接口、串口通信等）快速連接的優(yōu)勢，同時，其自帶的工具包——ControlDesk軟件可以關(guān)聯(lián)Simulink模型中的參數(shù)以及實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)了硬件系統(tǒng)參數(shù)在線動態(tài)調(diào)試的功能，極大地加快了軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的進度。目前，dSPACE系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、發(fā)動機、機器人、電力機車、驅(qū)動及工業(yè)控制等領(lǐng)域。

本文利用dSPACE的軟硬件聯(lián)調(diào)優(yōu)勢，在三自由度的實驗裝置上，針對四旋翼飛行器的姿態(tài)進行控制，通過姿態(tài)傳感器采集實時位姿，采用常規(guī)PID控制算法，控制信號通過dSPACE輸出到四旋翼飛行器執(zhí)行機構(gòu)上，完成了四旋翼飛行器姿態(tài)控制。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠有效跟蹤給定的期望參考信號，并且在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的跟蹤性能。

半實物仿真框架

在四旋翼飛行器控制系統(tǒng)開發(fā)過程中，dSPACE為四旋翼飛行器快速控制原型和硬件在回路仿真提供了統(tǒng)一的應(yīng)用平臺。dSPACE作為控制器與四旋翼飛行器相連，通過ControlDesk觀察控制算法的性能，實時修改設(shè)計控制算法，反復(fù)試驗找到理想的控制方案。在硬件在回路仿真中，dSPACE充當(dāng)控制對象，模擬控制對象產(chǎn)生的信號，用來檢驗開發(fā)的控制算法的正確性和可靠性。借助dSPACE提供的一整套計算機輔助控制系統(tǒng)設(shè)計軟件工具包，可實現(xiàn)在同一技術(shù)框架下完成系統(tǒng)描述、動態(tài)系統(tǒng)建模、控制器設(shè)計與優(yōu)化、離線仿真、目標(biāo)代碼生成、實時控制的整個開發(fā)流程。四旋翼飛行器姿態(tài)控制半實物仿真結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

利用dSPACE的軟硬件聯(lián)調(diào)優(yōu)勢，在Simulink中搭建控制器模塊、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊、四旋翼飛行器運動邏輯模塊以及PWM信號發(fā)生模塊等，通過dSPACE與PC連接編譯，生成c代碼，實時控制四旋翼飛行器；通過四旋翼上的機載傳感器慣性測量單元（IMU），將姿態(tài)的3個姿態(tài)角測量解算獲得的反饋值與期望姿態(tài)值做差，形成偏差信號通過控制器，整個系統(tǒng)形成閉環(huán)控制回路，四旋翼姿態(tài)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

四旋翼飛行器飛行原理

四旋翼飛行器是一種包括滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航以及3個位置量的六自由度剛體，具有強耦合、非線性等特點。四旋翼按照旋翼布置方式可分為X模式和十字模式，如圖3所示，對于姿態(tài)測量和控制來說，兩種方式的運動邏輯關(guān)系不同。四旋翼飛行器主要依靠4臺電機的轉(zhuǎn)速差進行控制，機械結(jié)構(gòu)相對簡單，可由電機直接驅(qū)動，無需復(fù)雜的傳動裝置，其姿態(tài)運動原理如圖4所示。

四旋翼飛行器主要的控制變量是旋翼的3個姿態(tài)角：滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航，旋翼在旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生向上的升力和一個氣流反作用的扭轉(zhuǎn)力矩，扭轉(zhuǎn)力矩主要是調(diào)節(jié)飛機的航向角。當(dāng)四旋翼飛行器為X字運動模式時，其產(chǎn)生基本動作的原理為：1號旋翼和3號旋翼逆時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個正槳產(chǎn)生升力，2號旋翼和4號旋翼順時針旋轉(zhuǎn)驅(qū)動兩個反槳產(chǎn)生升力。反向旋轉(zhuǎn)的兩組電機和槳使其各自對機身產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互抵消，保證4個旋翼轉(zhuǎn)速一致時機身不發(fā)生轉(zhuǎn)動。1號旋翼和2號旋翼增大（減小），3號旋翼和4號旋翼減小（增大），實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)運動；1號旋翼和4號旋翼轉(zhuǎn)速增大（減小），2號旋翼和3號旋翼減小（增大），實現(xiàn)俯仰運動；1號旋翼和3號旋翼轉(zhuǎn)速相同，2號旋翼和4號旋翼轉(zhuǎn)速相同，且1號旋翼和3號旋翼轉(zhuǎn)速大于（小于）2號旋翼和4號旋翼轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)偏航運動。

因此，根據(jù)四旋翼飛行器產(chǎn)生基本動作的原理，可以得到四旋翼飛行器的姿態(tài)控制邏輯關(guān)系，如圖5所示。以姿態(tài)歐拉角的期望值與計算值作差為控制器的輸入，每個電機對應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制量都是3個控制器輸出的疊加，疊加量的正負(fù)與電機位置相關(guān)。

四旋翼飛行器姿態(tài)控制目標(biāo)是使其在無動作指令時保持穩(wěn)定懸停狀態(tài)，有動作指令時有效完成期望動作。本文使用的四旋翼固定裝置如圖6所示，該裝置將四旋翼飛行器的3個位置量的自由度限制，強制將其解耦，只剩下滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航3個自由度的控制，為單獨實現(xiàn)對四旋翼飛行器姿態(tài)控制創(chuàng)造了條件。Simulink主模塊如圖7所示，包括姿態(tài)角期望值輸入（Roll， Pitch， Yaw）、實時姿態(tài)數(shù)據(jù)采集器、控制器、四旋翼運動控制邏輯模型、PWM信號發(fā)生模塊（DS1104SL_DSP_PWM）。

姿態(tài)數(shù)據(jù)采集

在dSPACE與PC連接之后的Simulink中，RTI實時接口中的DS1104SL_DSP_ PWM模塊可以輸出4路PWM脈沖Ch1、Ch2、Ch3和Ch4，每路脈沖都可以單獨進行占空比和啟停的控制，模塊輸出與CP18硬件端口的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。輸出的PWM經(jīng)過電調(diào)，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)四旋翼飛行器姿態(tài)的控制。

四旋翼飛行器在運動過程中，通過MTi-300位姿傳感器得到反饋姿態(tài)值，MTi-300可提供的數(shù)據(jù)包括溫度、姿態(tài)信息（歐拉角：滾轉(zhuǎn)、俯仰、偏航或者四元數(shù)、旋轉(zhuǎn)矩陣）、壓力等。本文控制的目的是實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定，因此，只需采集四旋翼飛行器的姿態(tài)信息，采用歐拉角形式輸出滾轉(zhuǎn)、俯仰和偏航角。當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸出時，可按幀收取姿態(tài)數(shù)據(jù)，輸出依次為單精度浮點數(shù)的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角，串口設(shè)置如表2所示。

仿真結(jié)果分析

本文在四旋翼飛行器姿態(tài)穩(wěn)定下進行，采用常規(guī)PID控制算法，經(jīng)過多次調(diào)試后確定的滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角三通道PID參數(shù)，如表3所示。

由于固定四旋翼飛行器的三自由度試驗裝置在偏航方向存在較大摩擦阻力，影響了偏航方向的數(shù)據(jù)可信度，本文采集了滾轉(zhuǎn)通道和俯仰通道正向以及負(fù)向跟蹤預(yù)期響應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8（a）為滾轉(zhuǎn)通道的正向響應(yīng)曲線，其調(diào)節(jié)時間約為1.5s，超調(diào)量約為5.2%，基本能夠保持穩(wěn)定的參考信號跟蹤；圖8（b）為反向響應(yīng)曲線峰值時間約為1.3s，基本沒有超調(diào)，比較穩(wěn)定地跟蹤輸入?yún)⒖夹盘枴Ｓ捎诠潭ㄋ男盹w行器的三自由度實驗裝置在滾轉(zhuǎn)和俯仰通道不可避免地存在一定的摩擦阻力，依靠四旋翼飛行器電機差速提供的俯仰力矩難以抵消硬件自身的摩擦阻力，因而響應(yīng)存在遲滯現(xiàn)象。圖8（c）和圖8（d）分別展示了俯仰通道的正反向跟蹤響應(yīng)，可以看出系統(tǒng)能夠有效跟蹤給定的期望參考信號，并且在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的跟蹤性能。

結(jié)論

本文基于dSPACE實時仿真平臺，設(shè)計了四旋翼飛行器姿態(tài)控制半實物仿真驗證平臺，采用常規(guī)PID控制算法，實現(xiàn)了四旋翼飛行器在三自由度的實驗裝置中的姿態(tài)控制仿真，提出了在三自由度的實驗裝置中對四旋翼飛行器的姿態(tài)進行控制的閉環(huán)回路仿真的思路。盡管固定四旋翼飛行器的三自由度實驗裝置存在一定的摩擦阻力，但試驗結(jié)果驗證了四旋翼飛行器實時姿態(tài)控制的可行性和有效性。本文提出的四旋翼飛行器姿態(tài)控制半實物仿真方法，不僅可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速設(shè)計與半實物仿真平臺的快速搭建，而且可以快速驗證飛行器的飛行控制算法，說明該方法具有良好的可移植性和廣闊的工程應(yīng)用前景。

（金紹港 潘崇煜 張代兵 沈林成， 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)）