基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態控制器設計

施 建

(浙江科技學院 信息與電子學院，杭州 310023)

0 引言

小型四旋翼飛行器擁有六自由度(位置及姿態)以及4個控制輸入(旋翼轉速)的強抗干擾驅動系統，具備變量多元、非線性、強耦合以及干擾敏感性等特點，導致飛行操控系統設計有很大挑戰[1]。另外，控制器功能特性會被模型精準度以及傳感器準確度干擾，控制姿態是飛行控制中最為重要的一環[2]。對于小型四旋翼飛行器姿態的管控，當前研究比較多的是魯棒、自適應、非線性的控制等，但是以上這些方法要求模型精度達到很高的標準，控制系統設計具有復雜性，也會存在諸多不同的缺陷，造成應用具有局限性[3]。在此基礎上，以自抗擾解耦模型為基礎的四旋翼姿態控制器的設計被提出來。自抗擾控制器無需借助系統精度，而利用避免誤差的方式，算法運算簡便、具有魯棒性、適應性強、抗干擾能力強等優勢，而且控制系統的動態性和穩態性很好。引進自抗擾控制技術，能夠有效緩解非線性耦合系統的操控問題。

1 四旋翼姿態控制器硬件結構設計

基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態控制器硬件結構設計如圖1所示。

圖1 硬件結構設計

計算機通過PCIE-PCI轉接卡和運動控制板卡連接起來，它借助安置在平臺的三個編碼器對飛行仿真器的俯仰角、橫滾角、偏航角的信息數據進行實時探測與記錄，之后借助運動控制板卡對控制器計算4個電機的控制量進行反饋，同時啟動電機，使螺旋槳形成升、降力，進而保證控制的穩定性[4-6]。

1.1 運動控制板卡

選擇MACH4運動控制板卡具有8個IO接口，使用隔離開路輸出方式，獲取驅動電流，支持4軸聯動，同時從8路輸出口中獲取最大電流，從16路輸入口中獲取最大電壓。使用步進/伺服驅動器，具有USB2.0標準接口，支持全速傳輸模式[7]。該結構支持Mach4 個人愛好者版本,只適合Windows操作系統，全面支持USB熱插拔，隨時監測USB連線狀態，Mach4工作中，USB電纜拔出再插上，也可正常連線。擁有2 000 kHz的脈沖輸出，支持伺服/步進電機[8]。支持主軸PWM調速輸出；支持主軸脈沖+方向輸出；支持主軸0～10 V模擬電壓調速輸出[9-10]。

1.1.1 繼電器

繼電器為電氣控制器件之一，在輸入量(激勵量)改變符合標準情況下，作用是在電氣輸出電路中，造成控制量產生預設的階躍改變[11]。繼電器包含控制系統(又名為輸入回路)與被控制系統(又名為輸出回路)間的互動聯系。一般情況下在自動化的控制電路領域應用較為廣泛，本質上是借助小電流去操控大電流工作的一種“自動開關”[12]。因此在電路中的作用是自動調節、安全防護、改變電路等[13]。選擇JQX-13F型號繼電器內部結構如圖2所示。

圖2 JQX-13F繼電器內部結構

繼電器運作時，借助加上特定電壓值在線圈端部，線圈中形成電流，繼而發生電磁效應，銜鐵便在電磁力吸引下擺脫復位彈簧的拉力被鐵芯吸引過去，管控觸點的閉合情況。若線圈失去供電，電磁吸力將不會產生，銜鐵將在復位彈簧的反作用力下回到初始位置，造成觸點被斷開，借此管控電路的通與斷。

1.1.2 伺服驅動器

選擇MS-S3型號帶數顯伺服驅動器運行更加平穩，采用專用電機控制DSP芯片和矢量閉環控制技術，快速克服伺服驅動器丟步問題，同時提升電機性能，降低機器能耗。混合伺服驅動器系統高速心梗要比開環步進提高20%以上，有效轉矩能夠提升到70%以上，進而使電機在高速運動過程中保持高轉矩運行。采用電流控制技術，可根據負載不同，自動調節驅動器輸出電流大小，進而有效降低電機和驅動器發熱，提高運行效率[14]。

主流的伺服驅動器都由數字信號處理器充當管控的關鍵，能夠完成較為復雜的控制算法運算，達到數字化、網絡化以及智能化的目的。功率器件通常借助以智能功率為關鍵的驅動電路，IPM內存在驅動電路,并借助過電壓、過電流、過熱、欠壓等對電路進行安全監測與保護,主回路中引入軟啟動電路,使啟動過程中驅動器產生的沖擊力減弱[15]。功率驅動模塊先借助三相全橋整流電路將進入的三相電市電執行整合電流操作，獲得直流電。將整流完畢的三相電或者是市電，之后借助三相正弦PWM電壓型逆變器變頻使三相永磁式同步交流伺服電機被啟動。功率驅動模塊概括來說即為AC-DC-AC。整流模塊(AC-DC)的拓撲電路以三相全橋不控整流電路為主[16]。

1.2 編碼器

選擇h264R型號編碼器，具有可嵌入式硬件編碼、支持WINDOWS及LINUX等操作系統、支持多協議和多碼流、一鍵還原遠程升級維護，該編碼器支持1路高清HDMI音視頻采集功能，具有獨立音頻接口采集模式。編碼輸出雙碼流H.264格式，音頻MP3/AAC格式，畫面質量可控制，使用方便，不存在硬件兼容性問題。使用H.264格式，具有穩定高效、低時延、低碼率，高質量視頻畫面，錯誤恢復功能等特點，支持多協議、兼容多平臺。

使用編碼器可將比特流數據進行編制和轉換，通過通訊、傳輸等形式，將角位移或直線位移轉變成電信號形式。按照讀出方式編碼器可分為直接基礎和非接觸兩種，通過確定每個位置上的數字碼，可確定示意值和測量值的關系，進而確定起始和終止位置。采用高速端安裝方式，將其安裝于馬達轉軸端，該方法分辨率高，馬達轉動圈數在該量程范圍內，可充分提高分辨率，保證來回有齒輪間隙誤差達到最小，不易于損壞編碼器。

1.3 微控制器

姿態控制器中的關鍵芯片利用ST意法半導體公司以Cortex- M4內核結構為基礎研制的STM32F407VGT6，它的通信接口資源可選擇性強、低功耗、低成本以及具備較全面的外設功能，而且可以進行FPU浮點運算，使數據運算精準度有所提高。芯片把慣性測量模塊獲取到的加速度、角速度數值解算為姿態角，進行增量式控制算法分析，得出對應占空比的PWM波。慣性檢測模塊由獲取到傳輸給主控制芯片需要大概3 ms時間，所以微控制器響應速率需達到特定要求。以STM32F407VUT6特性角度看，接口選擇性多可以輕松達到上位機、串口、傳感器等對接口的標準需求。該控制器參數設置如表1所示。

表1 控制器參數設置

四旋翼控制器應用32位ARM微控制器，168 MHz是頻率的最高值，作用是對多傳感器獲取的實時飛行器狀態信息數據進行分析與處理。慣性測量模塊具有陀螺儀與加速度計，借助llC串行總線獲取、傳輸數據信息到主控芯片，數據經過處理操作之后傳輸給1路PWM波控制電機。四旋翼姿態控制器結構如圖3所示。

圖3 四旋翼姿態控制器結構

2 自抗擾解耦模型控制算法

建立如圖4所示的OXYZ坐標系。

圖4 四旋翼姿態控制器受力分析

坐標原點為支撐點o，指向正前方電機X軸，指向右側電機是Y軸，利用左手定則將Z軸方向確定出受力方向。前向、左側、右側電機的轉動使螺旋槳轉動形成力沿著Z軸，設為正方向。尾端電機旋轉使螺旋槳轉動形成的力沿著Y軸，規定為正方向。

為分析動力學分析及構建相關模型，有如下假設：

1)設定控制器是剛體，將系統摩擦力、電機阻尼轉矩忽略不計；

2)設系統左右部分對稱，質心設在幾何中心o；

3)將伺服電機轉到特定轉速所需時長忽略不計；

4)設螺旋槳轉動時不發生形變。

設α、β、θ分別為滾轉角、俯仰角和偏航角，l、E分別為螺旋槳中心至機體坐標原點的距離、慣性力矩，令:

(1)

引入虛擬控制量Ri(i=1,2,3)及外部其他干擾λi(i=1,2,3)，設：

R=[R1R2R3]T=W(α，β，θ)[G1G2G3]T

(2)

則有：

(3)

式(3)中，ni(·)表示動態耦合，通過擴張狀態控制器軌跡值對動量加以補償，在控制輸入和輸出向量間并行嵌入自抗擾解耦模型就能實現控制器的解耦控制。

3 四旋翼姿態控制器軟件設計

四旋翼姿態控制器軟件部分采用Visual C + + 6.0平臺，引入自抗擾解耦模型控制算法實現四旋翼姿態解耦控制，并將控制信息發送至主機，主機接收信息，實現四旋翼姿態調控。

對于軟件設計要借助Visual C++6.0充當系統設計背景，建立對話框，通過界面設計以及有關程序設計，進行四旋翼姿態控制器性能模塊設計。借助軟件界面設計，用戶可以了解掌握控制器狀態，借助參數的設定，對空間飛行器飛行姿勢進行調控。

在Visual C + + 6.0平臺上，同步監控上位機，需利用平臺編譯環境性能，能夠滿足實際效果需求。借助Visual C + + 6.0能夠達到主機同外界設備相連的目的，它的接口數據可以借助此模塊與儲存數據庫進行連接，程序流程設計如圖5所示。

圖5 控制流程設計

依據顯示控制器姿勢信息的變化，可設定人為數值的輸入或是滑桿控制，借助模式轉換能夠選取一種調控控制器飛行姿勢，調節之后將信息進行改變，依據協議格式通過編碼傳輸給控制器對飛行姿態進行調節。

4 實驗結果與分析

為了驗證基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態控制器合理性，需進行姿態調試。

4.1 實驗方法

四旋翼姿態控制器包括四旋翼機架、電調、電機、槳葉等構件組成，在四旋翼室外試飛行之前，必須要進行調試來對四翼的滾轉、俯仰與偏航姿態的平穩性進行判別。由于四旋翼槳葉飛速旋轉可能產生危險，借助萬向云臺以及四旋翼飛行器構成姿態調試系統來檢測危險。

萬向云臺調試優勢顯著：1)僅對四旋翼機體產生向下的力，不會改變飛行姿勢；2)能夠進行小范圍的調試保障安全。在該姿態調試平臺下，進行參數設置，為調試分析提供支持。

平臺參數設置如表2所示。

表2 平臺參數設置

4.2 結果與討論

選取上述表2中的數據，信息參數獲取周期是40 ms，NRF24L01無線模塊把獲取的加速度、角速度以及姿態角等信息傳輸給上位機儲存，在不同周期下的XYZ軸加速度、角速度以及姿態角與時間關系曲線如圖6所示。

圖6 加速度、角速度和姿態角-時間曲線

圖6(a)的X,Y軸加速度由初始值漸漸接近零，而Z軸始終在零值附近波動；圖6(b)中3個軸上的角速度變小并有趨于一致的發展趨勢，呈大幅度下降趨勢；圖6(c)中姿態角在小幅度的范圍里波動，從3個變量運動趨勢中能夠判斷四旋翼逐漸趨于平穩。

依據上述內容，分別采用傳統非線性控制器和以自抗擾解耦為基礎的控制器進行四旋翼姿態控制研究。

表3 兩種控制器加速度控制對比結果 m/s2

表4 兩種控制器角速度控制對比結果 m/s

表5 兩種控制器姿態角控制對比結果 (°)

根據上述內容可知，采用自抗擾解耦控制器要比傳統非線性控制器更貼近實際控制效果。針對加速度控制分析，采用傳統控制器缺少運動控制板卡，無法獲取驅動電流，導致加速度控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器支持4軸聯動，具有USB2.0標準接口，采用全速傳輸模式，加速度控制效果較好；針對角速度控制分析，采用傳統控制器缺少繼電器，導致角速度控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器可通過銜鐵在電磁力吸引下擺脫復位彈簧的拉力被鐵心吸引過去，角速度控制效果較好；針對姿態角控制分析，采用傳統控制器缺少該步驟的設計，導致姿態角控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器通過增量式控制算法獲取姿態角，姿態角控制效果較好。

5 結束語

引進自抗擾控制技術，以自抗擾解耦為基礎的四旋翼姿態控制器被設計制造出，以俯仰通道作為例子，證實了自抗擾控制器是有效果的。借助參數整合和仿真結果表示，制造的自抗擾控制器魯棒性強、抗干擾性強，系統有優良的動態性和強穩態性能，有效管控非線性耦合系統。設計制造的控制器應用的信號在現實應用的系統中都能夠借助傳感器進行數據信息的檢測，可行性強，后續可進行高精確度的檢測應用，借助高階滑模設計更深層次地避免顫振現象，將控制器中部分復雜函數項簡化、近似處理，為控制方法在現實四旋翼無人機系統應用上提供技術支持。