基于單片機的無人機導航與控制系統設計

安 洋，張 涵，元倩倩

（焦作師范高等?？茖W校，河南 焦作 454000）

0 引言

隨著微電子技術和人工智能技術的不斷創新和發展，促使無人機技術迅速發展，已成為國內外眾多科研人員的研究焦點[1，2]。與傳統載人飛機相比，無人機不需要考慮飛行員等因素，沒有駕駛艙，從而無人機整體結構尺寸較小，使其運動更加靈活，配合智能控制系統，能夠顯著提高其機動性能。這種能力使無人機能夠在各種危險環境中自主執行復雜的任務，消除了傳統任務中人員傷亡的風險，并大大降低了飛行成本。無人機有許多類型，根據其設計特點，商業化的無人機可分為三種類型，分別是撲翼、固定翼和旋翼類型[3]。無人機是非線性、高度耦合和復雜的欠驅動系統，有多個輸入和輸出，由自檢裝置、自控裝置和執行器等組成。雖然其結構和工作原理相對簡單，但包含了各個學科和領域的復雜知識，這也使得其飛行姿態特殊化，形成了具有個性特征的動力學，如何設計一個具有穩定特性的系統，為系統設計一個穩定可靠的控制器一直是個難題[4]。

四旋翼無人機的控制量是4 個旋翼的旋轉速度ωi（i= 1，2，3，4），輸出量包含6 個狀態變量，分別是空間位置（x，y，z）和機身傾角（φ，θ，ψ）。四旋翼無人機的輸入轉速被轉換為四通道上的虛擬控制量，用以控制不同坐標軸上的6 個自由度，其關系如下：U1為z軸方向上升力，U2為橫滾力矩，U3為俯仰力矩，U4為偏航力矩。因此，它要實現的是一個具有多變量、強耦合和欠驅動的復雜控制目標，同時自身還容易受到系統的干擾和不確定性的影響，這些特點使得設計一個高效的飛行控制系統變得非常困難。

為了實現無人機的準確導航和穩定控制[5]，本文以單片機為基礎，設計了一種基于單片機的無人機導航與控制系統。主要是根據無人機的飛行任務和要求，確定系統的功能需求，并設計相應的導航算法和控制策略。

1 單片機的基本選型與應用

采用MS1030 外圍電路，它是杭州瑞盟科技股份有限公司研發的一款針對超聲波流量的高精度測量電路，它的測量精度最高可以達到15ps，在使用4 MHz外部高速時鐘的情況下，它的測量范圍為500NS～4MS，它的穩定性也非常好。在第一波模式情況下，內部比較器的offset 可編程范圍為±127 mV，而且還另外增加了±64 mV 的比較偏置電壓。MS1030 單向測量順流或逆流回波時，最高可檢測8 個脈沖，檢測完畢后將8 個脈沖以及脈沖累加值放入順逆流結果寄存器，方便單片機的調用。

流量測量模塊是由模擬前端、數字TDC、運算器（ALU）這三部分組成。MS1030 內部集成了高精度的溫度測量單元，測量原理是通過PT1000 溫度傳感器以及參考電阻對電容的放電時間進行測量，通過參考電阻的阻值以及放電時間換算出PT1000 溫度傳感器的電阻值，從而精確計算出溫度。

2 基于PID 的無人機導航與控制系統設計

2.1 PID 控制原理

PID 控制是傳統控制工程中最基本和最廣泛使用的控制，因為它結構簡單，使用方便，穩定可靠。在工業生產中，PID 控制也是一種被廣泛使用的控制方式，只要PID 參數的選取合適，就能得到較好的控制效果。在模擬控制系統中，PID 控制是最常用的控制方法，其結構如圖1 所示。

圖1 PID 控制結構

在圖2 中，r（t）代表輸入設定值，c（t）代表輸出實際值，e（t）=r（t）- c（t）是被控系統輸入端的偏差值。該控制器的原理是：首先將輸入和反饋信號之間的偏差作為新的輸入變量，將比例值P、積分值I和微分值D，通過線性組合轉換為被控變量并控制系統，使被控變量始終接近設定值。

圖2 四旋翼無人機控制結構

式中，KP表示的是比例因子，TI表示的是積分因子，TD表示的是微分因子。

2.2 改進模糊PID 控制器

經典的PID 控制適用廣泛，但PID 控制器的三個參數總是通過試驗和誤差來確定。因此，雖然它適用于可以建立精確的數學模型的線性時不變控制系統，動態特性也比較穩定，可以提高控制精度，滿足系統要求。但應用于四旋翼無人機控制系統時，它有明顯的缺點：一方面，僅依靠一套固定的PID 參數，對于具有快速時間變化和非線性特性的高度耦合系統來說，往往不是很理想；另一方面，無人機的實際工作環境通常是在室外，經常會受到外部干擾，而傳統的PID 控制器對擾動的抗性較差。因此，為了實現四旋翼的穩定控制，有必要對常規PID 控制器進行改造，采用一些實時PID 參數整定方法來滿足非線性控制的要求。

隨著先進控制算法的改進，基于智能控制算法的自適應參數調節方法逐漸興起，在復雜的非線性控制中取得了較為滿意的性能，進一步提高了控制精度。在這種參數調節方法中，KP、KI 和KD 的值可以隨誤差變化而變化。該方法無需對被控對象進行準確的數學建模，且參數可在任意時刻進行計算與調節，從而實現更好的控制。根據控制系統的參數變化、強干擾、強耦合等問題，在閉環控制中采用了智能控制中的模糊控制與PID 控制共同作用的方法，實現了對飛行過程中PID 參數的實時調節。

2.3 基于改進模糊PID 的無人機導航控制系統

無人機的控制器由同樣由3 個控制通道組成，即橫滾通道、俯仰通道和偏航通道，每個通道都采用一個PID 控制器。通過計算得到的期望橫滾角以及無人機的當前橫滾角作為橫滾通道的輸入，并以虛擬控制量U2作為橫滾通道的輸出。在俯仰信道中，輸入為所得到的期望俯仰角d以及無人機的當前俯仰角，輸出為一個虛擬控制量U3。在偏航通道中，以期望的偏航角及當前的偏航角為輸入，以虛擬控制量U4為輸出。系統的3 個方位角的偏差被確定，3 個通道的虛擬控制量經PID 控制器輸出，并傳送到四旋翼無人機的控制模型。 四旋翼無人機控制結構如圖2 所示。

3 系統測試與分析

在MATLAB/Simulink 環境中，結合無人機系統參數以及設計的內外環PID 控制策略，搭建四旋翼無人機系統模型并進行仿真試驗，根據經驗法，經過大量仿真測試和一系列參數整定，選定外環x、y、z三方向基礎位置PID 參數值分別為[8，0.01，3]，[9，0.01，3]，[8，0.01，3]；內環橫滾、俯仰、偏航基礎姿態角PID 參0.5 數值分別為[12，2，15]，[15，2，13]，[9，3，12]。搭建位置控制器、控制器。

無人機從初始位置開始向期望位置運動的過程中，隨著姿態角發生改變，開始產生力與力矩，從圖3中可以看出，在PID 控制下，無人機x軸方向受力范圍在[-0.88，2.93] N，y軸方向受力范圍在[-2.29，2.88] N，z軸方向受力范圍在[7.62，18.15] N；橫滾軸力矩范圍在[0.26，1.56] N·m，俯仰軸力矩范圍在[-1.19，0.21] N·m，偏航軸力矩范圍在[-0.14，0.133] N·m。在25 s 處加入小幅階躍擾動后，經過4 s 左右調整后漸趨穩定。從轉速曲線中可以看出，在PID 控制下，無人機運動過程中，4 個旋翼轉速開始波動幅度較大，無人機可能出現較大晃動，不夠穩定，但最終轉速均能穩定在420 rad/s 附近。

圖3 基于PID 的無人機轉速曲線

從圖4 模糊PID 位置控制曲線可以看出，F-PID控制在x方向上最大偏差量為0.16 m，響應時間為16.4 s，在y方向上最大偏差量為0.19 m，響應時間為19.3 s，在z方向上最大偏差量為0.14 m，響應時間為5.2 s。模糊PID 控制最大偏差量橫滾角為0.20 rad，俯仰角為0.26 rad，且F-PID 控制曲線更加平滑，幅度更小，經過波動后，漸趨穩定。同時，在穩定階段加入小幅階躍干擾后，經過3 s 左右調整后漸趨穩定。

圖4 模糊PID 位置曲線

4 結語

無人機作為一種新型飛行器具有廣泛的應用前景，但要實現精確和復雜的導航與控制系統，需要高度準確的技術支持。因此，研究和設計無人機導航與控制系統，能夠提高無人機的控制精度和穩定性，為無人機的自動化飛行和任務執行提供更可靠的技術保障。通過對單片機的應用研究，設計了一種基于單片機的無人機導航與控制系統。該系統能夠實現無人機的準確導航和穩定控制，具有良好的性能和穩定性。未來可以進一步研究和改進這一系統，以滿足更高級別的無人機導航與控制需求，推動無人機技術的快速發展。