智能型四旋翼無人機飛控系統的設計與實現

2019-04-15 06:54:18張海軍陳映輝

計算機應用與軟件 2019年4期

張海軍陳映輝

1(嘉應學院計算機學院廣東梅州 514015) 2(嘉應學院數學學院廣東梅州 514015)

0 引言

四旋翼無人機具有小體積、輕重量、強靈活性、低功耗、強容錯能力和低成本等優點，是所有無人機種中最具特點和最具代表性的一種。其應用廣泛，如軍事、城市管理、農業、應急搶險等各種軍用和民用領域。為此，四旋翼無人機一直都是各國研究的熱點[1]。國外研究起步較早，如美國、日本等國四旋翼無人機技術相對領先，其中比較具有代表性的如：① 美國的斯坦福大學研制的載重量較大，適合遠距離飛行STARMAC I代和II代四旋翼無人機系統[2]；② 美國的賓夕法尼亞州立大學研制的具有視覺定位、可發射100 Hz的精度達到毫米級的位置信號的四旋翼無人機系統[3]；③ 日本千葉大學研制的具有造價低、能進行室外軌跡跟蹤、適合于民用的四旋翼無人機平臺[4]等。20世紀70年代，我國開始研制無人機，除了軍用，最具代表性的有大疆科技、派諾特貿易和深圳一電等公司的無人機[5-6]。

四旋翼無人機系統具有非線性、多變量、高度耦合和欠驅動等特點。要有效控制好四旋翼無人機，必須建立正確的動力學數學模型，構建基于各個模塊的有機整體。為此，本文研究和實現智能型四旋翼無人機飛控系統，其具有自主避障、旋轉機臂、新型的加速機制和變向模式等特性。

1 動力學建模及分析

利用動力學原理實現智能型四旋翼無人機系統。首先，建立兩個動力相關坐標系，分別為實體坐標系H和運動慣性坐標系T(采用NED方向)。其中實體坐標系H的原點選在飛行器的重心位置，運動慣性坐標系T的原點選在地面。用{xb,yb,zb}表示實體坐標系H相應軸正方向上的單位向量，{e1,e2,e3}表示運動慣性坐標系T相應軸正方向上的單位向量，如圖1所示。

圖1 四旋翼無人機動力模型圖

利用動力坐標系來定義四旋翼無人機飛行時的位置和姿態值，類似于剛體在三維空間內位置和姿態值的定義。通常四旋翼無人機具有6個自由度，3種角為滾轉角φ、俯仰角θ和偏航角ψ及3個表示位置的量x、y和z。

可以用牛頓-歐拉等式表示質量為m∈R慣性為J∈R3×3的剛性物體受到外力為Fext∈R3力矩為τ∈R3的作用時的動力方程[7]：

(1)

式中：V=(u,v,w)和Ω=(p,q,r)分別表示實體坐標系H內的線速度和角速度。平移力Fext包括重力、主要的推力及其他物體力的組合。

通過歐拉角參數化和航空學公約“ZYX”，可以用從實體坐標系H到運動慣性坐標系T的旋轉矩陣R來表示無人機在空間中的位置，其中R∈SO3，如下所示：

(2)

式中：s和c為sin(·)和cos(·)的簡寫。利用兩個坐標系之間的轉換，可以從其他的力中得出重力，在運動慣性坐標系T中的轉換動力模型為：

(3)

(4)

求得它的逆矩陣記為Ψ(η)=Φ-1(η)：

(5)

從而可以求得慣性矩陣表達式為:

M(η)=Ψ-1(η)TJΨ(η)

式中：J=diag(J1,J2,J3)∈R3×3是四旋翼無人機的轉動慣量矩陣，從而進一步可以得出:

(6)

(7)

從而得到四旋翼無人機的非線性模型如下所示：

(8)

基于非線性模型，首先，可以分解為兩個通過非線性耦合項連接的子系統；其次，設計實現位置和姿態子系統的控制器。對式(8)中的第二個表達式進行反饋線性化，可得:

(9)

(10)

對非線性動力模型式(9)進行變換，可以得出兩個由非線性項Δ(u,ηd,eη)耦合在一起的線性子系統，如下所示：

(11)

式中：向量H(ηd,eη)∈R6為動態逆誤差，A1∈R6×6、A2∈R6×6、B1∈R6×3和B2∈R6×3為矩陣，如下所示：

(12)

在式(11)中，μ∈R3可以看作虛擬的控制向量，定義為:

(13)

式中：fμ(·):R3→R3為連續可逆函數。通過式(13)可以得到虛擬控制向量μ的各分量表達式，如下所示：

(14)

然后再根據這一向量，可以計算出跟蹤軌跡時無人機飛行的姿態參考角度，即通過式(14)可以得出:

(15)

(16)

式中：Kξ∈R6×3，Kη∈R6×3。將式(15)代入四旋翼無人機動力學模型式(11)中，可以得出閉環控制系統的動力方程：

(17)

式中：Aξ=A1-B1Kξ，Aη=A1-B1Kη。通過改變Kξ和Kη的參數值可以使Aξ和Aη滿足Hurwitz矩陣，從而達到閉環系統穩定的目的。而Δ(eξ,eη)可以看作位置環子系統的一個擾動項，進一步可以證明，即使存在這一項值的情況下，以式(17)為閉環的系統仍然可以保持全局漸進的穩定性從而實現控制的目的。

2 實驗與分析

為了實現無人機的自主避障控制和成功飛行[9]，進行了詳細測試和反復實驗。

2.1 實驗 1——構建無人機機架

對于無人機，首要的任務就是機架的設計和制作。性能優良的機架必須經過精心的設計和反復測試，具體如：① 數學建模和力學分析；② 設計幾何模型；③ 控制大小比例；④ 選擇材料；⑤ 機架組裝。最后用輕巧牢固的碳纖維管構建機架，其中3條3K斜紋6×4×1 000 mm型作為主機主架，3條5×3.5 mm型作為副架固定電機，20條4×2×200 mm型用于機身結構的固定，實現的機架呈“井”字模型，如圖2所示。

(a) 正面視圖

(b) 左側視圖

2.2 實驗2——無人機自主飛行控制

為了實現無人機自主飛行控制，本文使用嵌入式硬件Arduino Nano，其核心處理器是ATmega168(Nano 2.x)，14路數字輸入/輸出(其中6路可作為PWM輸出，8路模擬輸入)，16 MHz晶體振蕩器，mini-B USB口，ICSP header與一個復位按鈕。Nano通過四根數據線連接飛控，從而進行信息傳遞和控制，分別為：AIL副翼信號，控制飛機在水平面俯仰；ELE升降信號，實現向左或右傾斜，飛行器就會向左或右飛；THR油門信號，控制飛機起飛和下降，加大油門就飛高些，減小油門就飛低些；RUD方向信號，控制無人機機頭指向的，通過改變機頭旁邊的兩個電機的轉速來實現機頭指向的改變。如圖3、圖4分別為油門線最低和最高時串口輸出的各信號值。依據這些信號值，用Arduino IDE軟件編譯器，基于C/C++編寫代碼并燒入Arduino Nano寄存器，從而實現無人機自主飛行控制。

圖3 低油門時串口輸出的各信號值

圖4 高油門時串口輸出的各信號值

2.3 實驗3——無人機自主避障系統

無人機自主避障控制是在無人機自主飛行控制的基礎上實現，在硬件上，如圖5所示。使用飛控、Arduino Nano作擴展控制器，加上HC-SR04超聲波傳感器組成一個前方區域探測控制閉環系統。超聲波傳感器發射信號探測前方是否有障礙物，存在障礙物時算出距離值并反饋回Arduino Nano，進一步改變AIL副翼信號、ELE升降信號、THR油門信號以及RUD方向信號等的值來實現無人機的避障飛行。使用Arduino IDE軟件編譯器，調用庫函數，基于C/C++編寫代碼，主要實現超聲波信息處理、遙控功能、前向飛行控制、后向飛行控制、左向飛行控制和右向飛行控制等功能。基于四旋翼無人機，利用單方向自主避障原理，在硬件上增加三個超聲波傳感器，在程序中增加控制三個超聲波傳感器信息處理的代碼，修改代碼參數和調整無人機，處理好聲波脈沖的相互干擾和誤判，可以實現四個方向的避障自控飛行。

圖5 探測控制閉環系統硬件示圖

2.4 實驗 4——可旋轉機臂

通常無人機都是通過改變電壓來實現加速飛行。為了節約電源，本文通過設計可旋轉機臂，如圖6所示，來傾轉四個電機從而實現變向和加速。為此，安裝一個扭矩為360度的舵機，如圖7所示，連接轉動機臂實現同步轉動。為了實現同步轉動，需要有效的連接機制，經過反復實驗、比較、計算以及通過3D電腦模型建模，最后采用了以固定翼飛機加舵機來控制左右升降的方法成功地實現了舵機與轉動機臂互連，如圖8所示。

圖6 360度自由旋轉機臂實物示圖

圖7 舵機實物示圖

(a) 正面視圖

(b) 俯視圖

各主要構成部件及功能特征描述如表1所示。

表1 基于自主飛行避障和可旋轉機臂的四旋翼無人機的主要部件列表

2.5 實驗5——無人機軟硬件集成

完成了機架設計及所有部件的測試準備后，接下來進行無人機軟硬件集成和實現。為此，需要解決以下問題：① 電池位置的選擇和固定；② 4個電調的位置的選擇及如何協調工作而不互相干擾；③ 電機的安裝；④ 飛控的安裝；⑤ 接收機的安裝；⑥ 電路的設計和電壓的調節；⑦ 各部件接口的連接；⑧ 通過軟件和遙控器實現對無人機的控制；⑨ 避障系統的實現。

2.6 實驗6——無人機飛行測試

無人機的飛行測試可能出現很多的意外情況，如：① 無人機起飛不了，不斷往一邊倒；② 雖然起飛了，但是搖晃不定；③ 降落時很難停穩；④ 飛行時猛然降落，導致無人機嚴重摔壞摔爛等。最后，經過反復測試和調整，實現了無人機的成功飛行，具有穩定性高、靈敏性強、性能優越等優點。飛行示意圖如圖9、圖10所示。

圖9 智能型無人機低空飛行

圖10 智能型無人機高空飛行

3 結語

本文通過數學建模進行動力學系統分析，設計實現了基于硬件和軟件的智能型四旋翼無人機飛控系統。本文構建了四旋翼無人機動力學模型并進行理論分析；設計了無人機機架，對各組成模塊進行測試、分析和試驗；實現了無人機飛控系統的自主避障系統，智能飛行；實現了旋轉機臂，使無人機具有新型的加速機制和變向模式。飛行實驗結果表明，無人機飛控系統取得了較好的飛控效果，具有靈敏性強、穩定性高，總體性能優良等優點，并且安全性高，飛行時長，適合高低空飛行，完全適合于無人機載物流、應急搶險等應用。