基于Pixhawk飛控的四軸飛行器編隊控制分析

劉峰　唐天翊

摘 要：在單架四軸飛行器穩(wěn)定飛行的基礎(chǔ)上，對飛行編隊的控制策略進行研究。在整個過程中，分析四軸飛行器的飛行原理，研究飛行控制與導(dǎo)航方法，通過強大的開源飛控平臺和穩(wěn)定的算法運算，保證單架飛行系統(tǒng)穩(wěn)定。采用“集中式”通信方式，利用XBee模塊遠程通信的穩(wěn)定性高、實時性好、抗干擾性強的優(yōu)點完成四軸飛行器間的數(shù)據(jù)鏈交換。針對軟硬件兩個方面進行設(shè)計，完成基于領(lǐng)航-跟隨的編隊飛行控制的分析總結(jié)，最后通過實際飛行實驗進行驗證。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器 Pixhawk飛控算法 通信網(wǎng)絡(luò) “領(lǐng)航-跟隨”法編隊控制策略

中圖分類號：V249.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0183-02

近年來，隨著新型材料、導(dǎo)航技術(shù)、嵌入式微控制器在四軸飛行器中的廣泛應(yīng)用，結(jié)合國內(nèi)外飛行控制的研究進展，與無人直升機、固定翼多機編隊相比較，四軸飛行器編隊控制理論研究更加成熟。目前，四軸飛行器編隊自主控制在國內(nèi)外一些高校得到了較好的科學(xué)驗證。

四軸飛行器編隊由地面站、編隊機群、鏈路三大部分組成。飛行器地面站是整個飛行器編隊系統(tǒng)的指揮控制中心，專門用于對飛行編隊的地面控制和管理。編隊機群有3架以上四旋翼無人機組成，單架四旋翼無人機通過用戶終端輸入（通常為遙控器）和飛行控制系統(tǒng)（簡稱飛控）中的程序算法解算，使用電子調(diào)速器根據(jù)輸出電壓匹配輸出電流來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對飛行姿態(tài)和位置的控制（核心組件就是飛控）。鏈路主要負(fù)責(zé)編隊機群與地面站之間的通訊，通過多種通信方式將編隊飛行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛嬲?，并可以將地面站發(fā)出的控制信號傳給編隊“領(lǐng)航者”，從而使得飛行編隊按照既定的指令飛行。

1 構(gòu)建穩(wěn)定的單架四軸飛行器飛行系統(tǒng)

1.1 選取合適的飛行編隊平臺

飛行編隊平臺的選取決定了編隊的直接飛行效果。大尺寸的四軸飛行器飛行速度很難改變，導(dǎo)致機體很難受控；并且在大載重下，槳葉揮舞會導(dǎo)致剛性大的槳很容易折斷。而微小型四軸飛行器續(xù)航時間短、載重量小，無法達到技術(shù)指標(biāo)。另外，飛行編隊平臺要求響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好。經(jīng)過國內(nèi)外對四軸飛行器各個軸距的綜合實驗驗證以及成本預(yù)算，選取較為成熟的F450四軸飛行器平臺，以達到飛行編隊預(yù)期的飛行效果。

1.2 搭載Pixhawk飛控控制算法

Pixhawk飛控控制算法最突出的特點是由NuttX實時操作系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理和調(diào)度各個線程。各線程之間相對獨立，使飛控的易用性、代碼的移植性增強，便于編程人員對模塊化的算法進行維護?？刂扑惴ǖ暮诵氖腔跀U展卡爾曼濾波（EKF）的姿態(tài)解算。姿態(tài)解算算法的作用就是將加速度計、陀螺儀等傳感器的測量值經(jīng)過去噪聲濾波及數(shù)據(jù)融合，解算出姿態(tài)角，進而作為系統(tǒng)的反饋量，從而形成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。

1.3 軟硬件平臺兼容調(diào)試

以Pixhawk開源飛控控制算法為核心，分三步實現(xiàn)對四軸飛行器的實時有效控制。

第一步：接收外部實時有效數(shù)據(jù)。包括用戶通過遠程遙控發(fā)送的控制四軸飛行器姿態(tài)的通道量和飛行模式、GPS采集到的當(dāng)前經(jīng)緯度和時間、各個傳感器的初始數(shù)據(jù)。第二步：進行濾波處理和數(shù)據(jù)融合。對四軸飛行器進行位置預(yù)測、位置控制、姿態(tài)預(yù)測、姿態(tài)控制，解算出相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行矩陣處理，轉(zhuǎn)換為四個端口的PWM信號，進行輸出。第三步：根據(jù)輸出的PWM信號不同的占空比，外部動力源通過電子調(diào)速器的輸出電流驅(qū)動無刷電機產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對四軸飛行器的有效控制。

2 自主設(shè)計并實現(xiàn)四軸飛行器編隊控制

2.1 搭建“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)編隊控制的通信網(wǎng)絡(luò)有兩種較為主流的搭建方式，一種是“分布式”通信網(wǎng)絡(luò)，另一種是“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)。采用“分布式”的通信網(wǎng)絡(luò)的編隊控制需要每架四軸飛行器上攜帶一個強大的計算中心，用于運行編隊控制算法，從而實現(xiàn)四軸飛行器與周圍鄰居幾個四軸飛行器密集的數(shù)據(jù)交互；而采用“集中式”的通信網(wǎng)絡(luò)的編隊控制則只需要一個計算中心來統(tǒng)籌計算控制命令，與通信網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的四軸飛行器建立無線通信連接并向它們發(fā)送指令即可。搭建“分布式”通信網(wǎng)絡(luò)盡管可以減少通信上的延時，但是極大的占用飛行動力與功耗。而搭建“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)不僅功耗低、占用較少的資源，而且在工程上實現(xiàn)也較為容易。

“集中式”通信網(wǎng)絡(luò)的搭建是四軸飛行器保持飛行編隊的重要組成部分。由于通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須達到穩(wěn)定可靠、實時高效的效果，所以設(shè)計通信網(wǎng)絡(luò)時，在節(jié)點硬件上要求成本較低、能耗較少，在軟件技術(shù)上必須支持多跳的路由協(xié)議。在通信技術(shù)選取上，通過文獻[5]，了解到ZigBee技術(shù)是一種低速率、低功耗、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸范圍一般在一千米以內(nèi)，以自組織方式構(gòu)成無線通信網(wǎng)絡(luò)。在硬件選取上，采用基于ZigBee技術(shù)的XBeeS3B通信模塊，該模塊是一種遠距離低功耗的數(shù)傳模塊，有2.4G、900M、868M三種頻段，同時可兼容802.15.4協(xié)議。可組mesh網(wǎng)絡(luò)，冗余特性強，數(shù)據(jù)幀信息全面，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，并且在終端通過X-CTU軟件方便調(diào)試。每個模塊都可以做為路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器，以及終端節(jié)點。

2.2 選取“領(lǐng)航-跟隨”編隊控制策略

基于“領(lǐng)航-跟隨”法的編隊控制策略，需要在編隊中選取一位領(lǐng)航者，剩余所有的機體都作為僚機。而所有的僚機在飛行之初通過矩陣就已經(jīng)設(shè)定好位置和角度，只需在編隊飛行中保持與領(lǐng)航者的相對距離和相對角度，就可以實現(xiàn)編隊飛行的任務(wù)。而對于所要規(guī)劃的航跡來說，只有領(lǐng)航者才對航跡進行規(guī)劃，其余僚機都是按照與領(lǐng)航者的位置差和角度差來驅(qū)動自身控制器的。同時在偏差解算中，添加了速度偏差，用于實現(xiàn)僚機對領(lǐng)航者的速度跟隨，使得當(dāng)領(lǐng)航者以較大加速度改變速度的時候，領(lǐng)航者與僚機之間的間距仍然能夠保持在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。僚機通過接收領(lǐng)航者的航向信息，能夠?qū)︻I(lǐng)航者的航向做出響應(yīng)，使得在編隊飛行過程中，領(lǐng)航者速度方向發(fā)生變化的時候僚機能夠保持在領(lǐng)航者的固定方位。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，形式較為容易設(shè)計，控制效果明顯。

3 四軸飛行器編隊控制將來的應(yīng)用趨勢

根據(jù)眾多文獻資料的研究，現(xiàn)在四軸飛行器編隊控制主要還是停留在理論研究的程度，所以在四軸飛行器編隊控制的發(fā)展趨勢中，未來的飛行編隊一定會帶來更多的智能化與系統(tǒng)化的控制策略。相比于商業(yè)領(lǐng)域，四軸飛行器編隊能夠靈活、隱蔽地飛向敵防空領(lǐng)域，執(zhí)行偵察、通信、電子干擾等任務(wù)的特點使其在軍事方面應(yīng)用前景更加廣闊。

四軸飛行器編隊控制的發(fā)展趨勢主要有兩部分：（1）可適應(yīng)更加復(fù)雜、惡劣的環(huán)境。在以高新技術(shù)為主導(dǎo)的未來戰(zhàn)場上，周圍環(huán)境必然變得更加惡劣與復(fù)雜，這給四軸飛行器編隊控制帶來了巨大的難題。從而四軸飛行器為了適應(yīng)未來戰(zhàn)場的需要必須提高其自身對周圍環(huán)境的適應(yīng)能力。（2）基于網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同調(diào)控。伴隨現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來戰(zhàn)爭更將是一場信息戰(zhàn)爭，所以增加飛行編隊控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用必然也會成為一種趨勢。所以未來飛行編隊間的通信網(wǎng)絡(luò)化越發(fā)成為當(dāng)今科技界的研究重點，這才能更好地保證飛行編隊各機間協(xié)同控制的效率。

參考文獻

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