航空探測無人機自主飛行控制研究

楊濤 徐堅

摘 要：目前，采用固定翼無人機作為航空探測平臺的方式無法進行精確的低空、低速測量。本文以旋翼無人機為載體，通過建立了平臺系統的動力學模型，選用經典的閉環PID控制理論來設計無人機平臺的飛行控制系統的控制器，并在MATLAB/SIMULINK軟件中進行平臺系統飛行仿真，仿真結果驗證了飛行平姿態角中滾轉角、俯仰角、偏航角和高度的控制設計PID回路控制方法的有效性。

關鍵詞：航空探測平臺；自主飛行控制；PID控制器；回路控制

1 前言

近些年，隨著社會的發展，人類對礦產資源的需求日益增多，目前所開采的資源無法滿足人類當 前日益增長的發展需要，尋找新的資源存儲區域刻不容緩。近幾十年里，航空物探技術在地質勘探領 域中逐步發展為一顆備受矚目的新星，該技術既能保障人員安全，提高工作效率，也能夠得到更精準 數據，擁有著廣闊的發展前景。其中應用無人機作為航空探測的搭載平臺是航空探測技術領域中的一 個新興分支。

2 飛行平臺分析

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一種無人駕駛的、可重復使用的、具有 自主飛行能力的飛行器。無人機的智能化程度高，可完成多載荷任務在空中長時間飛行，在極其危 險的外界環境條件下重復飛行并且不會造成人員傷亡。無人機的核心部分是飛行控制系統，飛行控 制系統的性能好壞直接決定飛行性能及任務的完成情況。

選用四旋翼無人機作為航空物探無人機的搭載平臺，該平臺在結構上采用剛性軸對稱的十字交叉架構，四個獨立控制帶有螺旋槳的電機分別固定在懸臂的四個頂點上，其他控制、測量等模塊置于 裝置中間。無人機搭載平臺四個旋翼不同旋轉方向時產生的向上的升力，沿 X 軸的正方向的運動為向 前運動，沿 Y 軸的正方向的運動為向左運動，沿 Z 軸的正方向的運動為向上運動。SIMULINK 是 MATLAB 軟件的擴展組件之一，主要為動態系統和嵌入式系統的基于模型設計和多域仿真提供一種交互式圖形環境。SIMULINK 具有極豐富的圖形模塊庫，用戶可根據需要將圖形模塊從庫中拖出即可使用；為補充圖形模塊在實際應用時的局限性，SIMULINK 還補充了可用 C 語言或 SIMULINK 語言編寫算法的 S-function 模塊和 Embedded-function 模塊，這些模塊可像普通的圖形模塊一樣直接調用。

3 飛行平臺 PID 回路控制仿真

將平臺控制系統分成：位置、姿態、速度控制回路，并選用 PID 控制理論作為本系統的主要控制 算法。下面將針對姿態控制回路進行控制器設計介紹，系統設計指標為：穩態誤差≤10%；響應時間≤2s；過渡時間≤8s。姿態控制回路是整個平臺控制系統的核心，是保證位置控制回路穩定的前提，決定著平臺的飛行 狀態，它的控制結果更是直接影響平臺的飛行品質在姿態 PID 控制器模塊中采用了 PID 控制算法。

搭載平臺的硬件系統是整個平臺系統的關鍵組成部分，也是實現平臺探測飛行測試的基礎。以第二章平臺系統的動力學建模和第三章平臺控制系統的 PID算法設計所做的理論為鋪墊，將理論轉換為實際，完成無人機的自主飛行控制。現設計一套基于 PID 控制算法的硬件控制系統。平臺硬件系統可分為兩部分：地面站部分和機載部分。地面站部分主要是通過無線模塊向機載部分發送期望目標的控制指令。機載部分是期望目標控制指令的實現，是硬件系統的核心部分，也是本文研究的重點之一。為方便描述平臺硬件系統的機載部分，現將整個機載部分分成五個子模塊分別進行設計，即控制模塊、測量模塊、無線模塊、執行驅動模塊和電源模塊。控制模塊主要是包含主控芯片及其外圍基本電路部分，主要負責處理實時采集的姿態及位置數據信息，根據接收到的控制指令，結合系統的控制算法計算輸出量，調節電機的驅動信號，并將機載平臺狀況實時傳回給地面站部分。測量模塊，包括 IMU 慣性測量單元、數字羅盤以及氣壓計，主要負責獲取平臺飛行指令，采集平臺飛行時的實時姿態和位置信息，然后傳送給主控制器，完成反饋調節。無線模塊負責接收來自地面站的控制指令信息以及將平臺飛行狀態信息發送回地面站。電源系統是平臺運行與飛行的動力來源，為系統提供穩定的電源是實現平臺

正常工作的基礎。根據電機的輸入電壓要求，本文選用了 11.1V 的鋰聚合物電池為整個平臺系統供電，電池電量可以為平臺提供 15 分鐘的飛行時間。又由于系統電路中主控芯片的工作電壓為 3.3V，部分傳感器的工作電壓為 5V，因此本文根據實際需要分別設計了由 11.1V 到 5V 和由 5V 到 3.3V 的電壓轉換電路，在前者轉換電路中選用了 LM7805 作為降壓芯片，在后者轉換電路中選擇了LM117—3.3 作為降壓芯片。電路中電感和電容完成對電源信號的濾波。

4 結束語

設計的姿態控制回路具有較好的控制效果，滾轉、俯仰、偏航三 個角度的響應時間控制在 1s 左右，6s 時響應曲線均到達穩定狀態，過渡時間均小于 8s，穩態時的相 對誤差不超過 10%，驗證了 PID 回路控制方法的有效性。

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