基于APM自動駕駛儀四軸飛行器自動巡航設計

葉均磊 魏金 袁晨宇 雷劭雨 楊榮強

摘要：本項目研究四軸飛行器自動巡航設計方案。通過分析四軸飛行器的結構和飛行原理，同時根據Ar-duPilotMega自動駕駛儀（簡稱 APM 自動駕駛儀）的性能特點、硬件構成，提出了一種四軸飛行器搭載APM 自動駕駛儀的自動巡航設計方案。設計的四軸飛行器具備空間定位，低空巡航等基本功能。經過檢驗得出，四軸飛行器能較好穩定于APM 自動駕駛儀平臺上，該設計方案符合四軸飛行器自動巡航的要求。

關鍵詞：APM自動駕駛儀;Mission Planner地面站;四軸飛行器;自動巡航;PID控制算法

0? 引言

四軸飛行器通過電機傳動裝置，遙控操縱其飛行姿態的一種飛行器。其結構簡單，同一水平面上具有4個形狀大小相同的對稱螺旋槳，4個電機安裝在飛行器支腳架末端，動力裝置、傳感控制器及其他外載設備固定在支角架上。隨著電子電工技術、傳感器技術和工程控制理論的不斷發展，使四軸飛行器的自動巡航控制得以實現，并得到了廣泛的關注和研究。通過低成本的APM自動駕駛儀能較好的實現四軸飛行器自動巡航。APM自動駕駛儀攜帶多種功能性模塊，通過Mission Planner地面站進行監控組成一套四軸飛行器自動控制系統。自動巡航的四軸飛行器使用操作方便，廣泛應用于偵查、空中電子對抗、航拍測繪、安保領域、基礎設施檢測、勘測設計、項目施工進度檢查、污染物排放監測和生態環境保護等。

1? 飛行器結構特性與飛行機理

1.1 結構特性

四軸飛行器的螺旋槳分別安裝在對稱的X型布局結構的4個頂點的電機上，分為前后和左右兩組。當螺旋槳開始動作時，四軸飛行器機身受到的反扭矩方向與螺旋槳的旋轉方向相反，因此當電機0和電機2帶動螺旋槳逆時針旋轉時，電機1和電機3帶動的螺旋槳必須順時針旋轉，從而平衡螺旋槳對飛行器機身的反扭矩。通過調節電機的轉速來實現對四軸飛行器在空間6個自由度的控制，就可以進行相應的飛行動作。圖1所示為四軸飛行器的結構特性圖。

1.2 飛行機理

在穩態狀態下，螺旋槳的轉速所產生的升力等于飛行器自身重力時，飛行器保持空中懸停狀態。飛行器任何一組對角螺旋槳轉速等量增大或減小而另一組對角螺旋槳轉速不變時，飛行器進行偏航運動。4個螺旋槳轉速等量增大或減小時，飛行器進行豎直向上或豎直向下的運動。任何一個螺旋槳轉速增大或減小時，其對角螺旋槳轉速相應的等量減小或增大時，飛行器向螺旋槳轉速減小的方向傾斜，進行俯仰運動或滾轉運動。圖2所示為四軸飛行器的飛行機理圖。

2? 系統功能與總體方案設計

控制系統是由四軸飛行器、Mission Planner地面站和航模遙控器等組成。操作人員通過Mission Planner地面站規劃四軸飛行器巡航路線，將路徑數據下載到自動巡航控制模塊。四軸飛行器使用12.6V的2200ma 3S鋰電池供電，在巡航途中遇到無法處置的情況時，則可以切換手動模式進行相關操作，以免產生不必要的麻煩。GPS模塊和氣壓計模塊可以獲取處于動作狀態下的四軸飛行器的經緯度坐標和飛行高度數據，APM自動駕駛儀使用 3DR數傳模塊進行通信，MP的連接波特率為 57600，保證了四軸飛行器的數據傳輸，同時數據顯示在Mission Planner地面站上，進而實現了人機交互的可操作性和和準確度。如圖3所示四軸飛行器功能框架圖。

3? 系統硬件設計

3.1 APM飛控系統

自動巡航系統是控制飛行器按照規劃路線進行飛行。此功能需要多種模塊之間相互協調配合。根據四軸飛行器實際功能要求，系統包括MCU-ATMEGA2560主控制器、NEO-M8N GPS模塊、氣壓計模塊、3DR數傳模塊以及電源。主控制器獲取處理傳感器的信息，PID控制算法解析出電機的轉速，通過I2C端口發送給電機調速器，氣壓計檢測飛行器的高度，數傳模塊用于傳輸控制指令，電源提供動力，最終實現四軸飛行器自動巡航。如圖4為APM自動駕駛儀硬件圖。

3.2 主控制器

MCU-ATMEGA2560-16AU為低功率CMOS 8位微控制器，強化了高級的RISC架構，可以全靜態操作。通過在一個單時鐘循環中執行強大的指令，MCU-ATMEGA2560-16AU可達到接近1MIPS/Hz的吞吐量，擁有SPI、USART、I2C三種嵌入式接口類型，其CPU處理速度為16MHz，能夠優化針對處理速度的能量消耗。廣泛應用于時鐘與計時、電機驅動與控制、傳感儀器、嵌入式設計與開發等方面。

3.3 GPS模塊

通過NEO-M8N GPS模塊來獲取經緯度數據，NEO-M8N GPS模塊其中包括HMC5883L數字羅盤，保持低功耗，具有很高的靈敏度和出色的接收能力。該模塊具有陶瓷貼片天線的有源電路，并封裝在塑料盒中以保護模塊不受器件影響，以10Hz的頻率輸出精確位置更新，NEO-M8N GPS配置為38400的波特率運行，同時接受GPS/QZSS，GLONASS和北斗的信號，如圖5所示為GPS模塊硬件圖。

3.4 氣壓計模塊

通過MS5611氣壓計測量四軸飛行器的高度。MS5611氣壓計是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器。分辨率可達到10cm，適合高度測量。傳感器模塊具有一個高線性度的壓力傳感器和一個24位低功耗的AD轉換器，其內部有工廠校準系數。提供了一個精確的24位壓力值、溫度值以及不同的操作模式，可以優化轉換速度和電流消耗。尺寸小，便于集成，具有高穩定性以及非常低的壓力信號滯后。

3.5 無線數傳模塊

3DR無線數傳是APM自動駕駛儀的一個數傳模塊，數傳模塊接收頻率時433MHz，功率是100MW，有效距離約500m。用USB線插上電腦端，經調試后連接到地面站，無線數傳能實時傳輸飛行數據到地面站，有利于監控和調試飛行器。

4? 系統軟件設計

4.1 姿態控制設計

四軸飛行器在運動過程中容易受到各種外在因素的作用。控制系統通過傳感器獲取飛行器的姿態信息，PID控制算法解析出電機的轉速，通過I2C端口發送給電機調速器，實現對飛行姿態的控制。其主要功能：

①主控制器獲取處理相關信息;

②傳感器同步監測飛行器的狀態;

③主控制器與Mission Planner地面站進行數據交換;

④系統能進行數字傳輸。

4.2 電機串級PID控制

串級PID控制采用角度和角速度兩級PID，穩定性、準確性和快速性較強。電機由雙環控制，主測量單元與主控制器組成外環的閉合回路，副測量單元和副控制器組成內環的閉合回路。串級控制是采用一個測量單元和兩個反饋回路形成閉環來獲取和克服系統干擾，修正誤差保持穩態。如圖6所示。

主測量單元Gacc（s）：測量系統當前的姿態角。姿態角是姿態解算結果中的最優估計值。

主控制器Wacc（s）：姿態角控制器，控制方法為比例控制（P），其輸入為姿態角的誤差，即姿態角期望減去當前姿態角，姿態角控制器的輸出結果是角速度期望。

副測量單元Ggyro（s）：測量系統當前的角速度。角速度值是狀態估計得到其最優估計值。

副控制器Wgyro（s）*G1（s）：角速度控制器，控制方法為比例-積分-微分控制（PID），其輸入為角速度誤差，即角速度期望減去當前角速度，角速度控制器的輸出結果為電機的控制量。

系統的期望值與主測量結果輸入給外環主控制器，外環主控制器的輸出與副測量結果作為輸入給內環副控制器。而副控制器的輸出會最終影響執行器的執行結果。

當飛行器出現擾動姿態角沒有發生變化時，主控制器不能預知系統的角度誤差，但是副控制器的測量單元可以感知角速度的變化，可以反饋給副控制器，副控制器針對角速度的誤差進行PID控制得到輸出，交給執行器使飛行器快速消除誤差，保持穩態。另一方面主控制器得到一個期望姿態角度，姿態期望減去主測量單元的測量值得到主控制器的輸入誤差，主控控制器通過P控制得到角速度期望，此時角速度期望減去副測量單元的測量值得到角速度誤差，并將此誤差輸入給副控制器，副控制器通過PID控制得到輸出，交給執行器使飛行器快速消除角速度誤差，使得飛行器在期望的姿態角狀態下保持穩定。

內環回路提高了控制系統的控制精度和響應速度。內環控制的物理量比外環控制的物理量更加敏感，更加快速。對飛行器的位置達到有效的控制，并且能夠快速感知和消除擾動，將位置控制作為外環主控制器，將速度控制作為內環副控制器，因為速度比位置變化更敏感，更快速。

4.3 Mission Planner地面站

控制系統在接收到Mission Planner地面站發來的坐標信息進行存儲，通過PID控制算法解析出電機的轉速，從而修正四軸飛行器的飛行姿態，四軸飛行器達到設定的飛行高度時開始飛向目標航點。Mission Planner地面站流程如圖7所示。

5? 結語

本文詳述了一種四軸飛行器基于APM自動駕駛儀自動巡航系統的軟硬件設計方案，模塊化的框架式硬件設計，使系統具有優異的再開發性和可移植性。MCU-ATMEGA2560主控制器具有多個外設接口和高效的計算能力，NEO-M8N GPS，MS5611氣壓計，3DR數傳等模塊保證了四軸飛行器飛行穩定性。本文所設計的四軸飛行器操縱簡單，穩定性和拓展性好等優點，經過反復實驗，四軸飛行器能夠在相對高度下自動巡航。

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