X型四旋翼無人機的設計與研究

李廣 沈紀元 杜彤 仲啟帥

摘 ?要：從軟件姿態算法解析與控制到硬件的各個系統。通過MATLAB等軟件來建立無人機的結構模型，確立機體模型。利用MATLAB軟件自帶的仿真平臺，模擬飛行。利用PID模糊控制器和PID算法，來減少飛行時的不穩定性。采用MPU6050系列的姿態控制器，減小與無人機契合帶來的誤差。電源供電系統采用節能環保，且體積較小的鋰電池，它的使用壽命較長，相較于其他類型的電池，鋰電池具有較高的能量密度。

關鍵詞：模糊PID ?MATLAB軟件 ?鋰電池 ?姿態控制器 ?MPU6050系列

中圖分類號：V249 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）08（c）-0097-03

Abstract： From software attitude algorithm analysis and control to hardware each system. The structure model of uav is established by MATLAB and other software. MATLAB software with its own simulation platform to simulate flight. PID fuzzy controller and PID algorithm are used to reduce the instability in flight. The ATTITUDE controller of MPU6050 series is adopted to reduce the error brought by it. The power supply system adopts energy saving and environmental protection， and the small size of lithium battery， its service life is longer， compared with other types of batteries， lithium battery has a higher energy density.

Key Words： Fuzzy PID; MATLAB software; Lithium battery; Attitude controller; MPU6050 series

四旋翼無人機分為“X”型和“+”型，而X型無人機具有代表性。X型無人機在當今的應用范圍和應用前景比較廣，四旋翼無人機飛行控制系統在無人機中起著核心作用[1]，無人機的導航系統的主要部分是由多個靈敏傳感器組成的，且其具有較小的重量與體型的特點。可應用于多個場景和場所。

1 ?軟件

下面主要介紹一下關于模型的構建問題。

由于四旋翼無人機中易受多種因素的影響[2]，會導致無人機飛行時機身不穩，容易造成事故。通常我們在構建模型時將無人機看成一個有6個自由度的運動剛體。因此，建立的無人機模型是由姿態轉動動力學模型和質心平動動力學模型組合而成的。首先用三維設計軟件（UG）建立無人機的結構模型，利用主體機架、電機和正反槳之間轉動方向上由不同原因導致的不同的數據，來建立無人機的模型。利用Adams軟件，對其每一個部分的零件進行數據的定義和編寫，使其更符合實際情況，讓模型更具有真實性。

1.1 建立仿真系統

四旋翼無人機在機械結構方面和飛行控制方面的數據通過已經建立好的無人機模型數據傳輸到MATLAB軟件中去，看能否運行。利用仿真系統建立飛控系統。在仿真系統中，將無人機看成一個六自由度的剛體，采集無人機基礎飛行數據，即俯仰、橫滾、偏航的姿態角和加速度的大小。

1.2 計算機體姿態角

姿態角的計算是保障無人機能穩定飛行的重要因素，需要較高的準確性與穩定性。姿態角的精度與誤差控制，涉及到無人機的設計。可利用四元數來計算機體的姿態角，每一次轉動皆可用四元數表示：

q0為轉動幅度;q1、q2、q3為轉動的旋轉軸。

通過陀螺儀，加速器與磁力計收集數據，然后將3種數據進行相互補充和驗證，使得到的新數據更加切和實際，利用所得的數據計算無人機機體的姿態角，以保障無人機平穩飛行。

1.3 利用PID算法

從無人機的飛行的穩定性方面考慮，在算法的選取方面，采用具有小擾動性自適應特征的PID控制算法[3]。無人機現如今多采取PID模糊控制。PID模糊控制系統，就是在簡單的控制系統上添加了模糊控制規則的電路，相較于串級PID，其對于系統控制能力更強，具有時變性，對于無人機具有較強的魯棒性。

相較與串級PID，模糊PID對高頻率的信號處理能力更強。在偏航方向對比上，具有更小的超調量。在調節時間和峰值時間上，顯示出模糊PID具有更好的控制能力和抗干擾能力。模糊PID對無人機穩定飛行起著保障作用。

2 ?硬件

2.1 飛控系統

飛控系統主要負責無人機飛行姿態、飛行位置的計算與控制，發送PWM信號。其是通過CAP來捕獲遙控器發出的指令信號。通過飛行控制算法，解算信號，通過PWM信號的形式發給電路，調整螺旋槳的轉速來實現對無人機飛行的姿態控制。其微型處理器采用的是STM32單片機。STM32單片機具有很強的算法植入能力和較強的運行效率。

姿態控制器能夠快速有效地控制姿態，是進一步實現更高級別操作的基礎。通過控制俯仰、滾動和偏航3個操作來控制力矩上的實現。姿態控制器主要采用MPU6050，其內部陀螺儀和加速度器的穩定性與精度有利于飛機的平穩飛行。其目的是消除在焊接電路時造成的對準誤差，利用電腦軟件設置適合的數據頻率的低通濾波器，過濾掉高頻率的振動信號，保證無人機的機身平穩飛行。這種措施是為了避免造成無人機機體振動導致飛行不穩。

通過控制量的數據來調整電機的轉速實現。利用“滑動模態”對系統的干擾和參數聶動的特點，在預先設計好的切換流形鄰域內，強行改變系統的狀態使其按照人為規定的軌跡滑到期望點，在系統方面具有更好的響應速度和魯棒性。

2.2 動力系統

由于鋰電池電壓平臺高，且能量密度很高等優點，在無人機穩定飛行的使用上，減輕了無人機的重量，增加了續航時間，且使用的壽命較長[5]。所以選擇12V的航模專用鋰電池作為無人機控制系統的供電電源，通過ME6206系列的低壓差電壓穩壓器為無人機的GPS等模塊提供電源，然后利用AMS1117_3.3芯片將5V電壓降為3.3V作為飛控板的供電電源。

ME6206系列芯片具有高紋波抑制率，消耗的功率較低，電壓差較低，具有良好的調整率以及過流和短路保護的特點和優勢。

2.3 通信系統

通信系統分為手持地面端和機載接收端兩部分。通過對無人機飛行的安全性與穩定性考慮，采用無線遙控器天地飛9通道遙控器。其地面端手持設備利用PPM或PCM方式編碼，無人機將捕獲的信號解碼成PWM 信號輸出，然后利用微控器自身GPI0引腳捕捉此信號，即可完成控制信號的讀取工作[4]。

2.4 其他硬件

直流電機可以分為無刷電機和有刷電機，無刷電機是無人機的主流選擇，因為它力量大且耐用。對于機架的選擇，機架的選取會決定姿態傳感器讀取到的數據噪聲的大小，較差的機架會加大四旋翼飛行器在飛行過程中的不穩定性，因此選用結構穩定、質量較輕的碳纖機架，這樣很大程度上也提高了飛行器的載重。螺旋槳是由電機轉動帶動為四旋翼飛行器提供升力的。螺旋槳分為正反槳，順時針方向轉的電機需要配正槳，逆時針轉的電機需要配反槳。螺旋槳的選取取決于電機。

3 ?總結與展望

在系統建模分析的時候采用諸多的假設，但與實際上的實驗有一定的出入，需要對無人機進行調試。在處理四旋翼無人機的問題時需要注意協調好各個模塊之間的關系，一個模塊的不注意會導致無人機飛行不穩定，增大飛行的危險性。

在無人機飛行的時候有幾個不足之處需要注意：（1）電機和機架的振動大，加速度計無法立即排除掉較大的輸入信號，當信號運行時，導致飛機飛行不穩。（2）陀螺儀數據偏差的不斷累積會導致無人機姿態不穩。（3）四旋翼無人機需要較高的協調一致性。（4）需要對四旋翼無人機的一些零部件上的參數進行核實，等等，這些不足之處國內正在研究。

相對與傳統的固定翼無人機，無人機具有較高的靈活性，可在狹小的空間內飛行，可以垂直起降，在諸多領域都備受青睞。例如無人機用于航拍、地圖繪測、噴灑農藥，在軍事方面可以實時跟拍、充當電子間諜，也可以運送物資。

無人機未來發展趨勢無人機系統個體和集體兩個層面發展，自主控制為無人機發展大勢的核心技術：在個體的無人機方面體現在對無人機自身故障的診斷和自我修復功能方面的提升;在群體的無人機方面體現在協同處理問題的能力方面。

參考文獻

[1] 馬鳴宇，董朝陽，馬思遷，等.基于SO（3）的多四旋翼無人機編隊協同控制[J].控制理論與應用，2018，35（9）：1229-1238.

[2] 馮凱.多旋翼無人機在電力巡線中的應用[J].機電信息，2018（33）：50-51.

[3] 汪梓童.四旋翼無人機姿態控制及抗干擾研究[D].南京郵電大學，2019.

[4] 李昱霄.動態場景下無人機SLAM在智慧城市中的關鍵技術研究[D].中國科學院大學（中國科學院深圳先進技術研究院），2020.

[5] 王福星.基于粒子群優化算法的多無人機自組織控制[D].南京郵電大學，2019.

[6] 張逗.四旋翼無人機限定時間控制及應用研究[D].南京郵電大學，2019.