四旋翼飛行器控制系統設計

摘要：本文基于四旋翼飛行器的工作原理和性能特點，給出了飛行器控制系統設計方案，進行了姿態和高度數據采集的軟件設計，并基于卡爾曼濾波算法完成了傳感器數據融合，設計了PID控制器并完成了軟件實現。實驗結果表明，該控制系統能夠穩定可靠運行，具有較強的魯棒性。

引言

　　四旋翼飛行器是一種具有6個自由度和4個控制輸入的系統，能進行垂直起降、懸停、前飛、側飛和倒飛等運動。其與直升機不同之處在于它通過4個旋翼產生可以相互抵消的反扭力矩，因而不需要專門的反扭矩槳。被廣泛應用于無人偵察、森林防火、災情監測、城市巡邏等領域。并且隨著目前發展狀況，四旋翼飛行器主要優點有： (1)擁有簡單的機械結構; (2)飛行姿態穩定。同時飛行控制系統通過傳感器采集飛行姿態數據，實時監測和控制飛行姿態，可以使飛行器保持平穩飛行。相比傳統單旋翼直升飛機，四旋翼飛行器的飛行更為穩定。

1 系統硬件結構

1.1 飛行器的原理以及機械結構

　　四旋翼飛行器的基本結構如圖1所示，四旋翼飛行器的4只旋翼安裝于十字形機體的4個頂點位置，分為順時針旋轉(1、3) 和逆時針旋轉 (2、4)2組，當4只旋翼轉速相等時，相互間抵消反扭力矩;同時增加或減小4只旋翼的轉速可實現上升或下降運動;當1號與3號旋翼轉速增加(減小)，2號和4號轉速不變，飛行器實現偏航;當1號和3號旋翼轉速固定，2號旋翼轉速增加(減小)，4號旋翼轉速減小(增加)，飛行器實現向左(向右)飛行;當2號和4號旋翼轉速固定，1號旋翼轉速增加(減小)，3號旋翼轉速減小(增加)，飛行器實現后退(前進)飛行。

1.2 硬件平臺整體設計方案

　　硬件的選擇對控制系統的性能有很重要的影響，一個良好的硬件搭配會極大地提高控制系統的安全性、穩定性和準確性等各項性能指標。

　　如圖2所示為本次研究所用飛行器的實際構造框圖。由上位機或遙控手柄接受指令，控制芯片通過超聲波模塊獲取高度信息，再通過MPU6050獲取姿態信息以及加速度信息，經過數字PID控制器計算得到控制量，再經過控制芯片處理，向電調發出對應于控制量的PWM波，改變電機的轉速。

1.2.1 I²C總線

　　對MPU6050的控制與數據的讀寫主要通過I²C總線形式。I²C構造簡單，僅需要兩根線(SCL時鐘控制線，SDA數據傳輸線)即可實現對芯片的控制與數據讀取，并且每個芯片都有其獨立的識別地址。在本實驗中，因為只有一個MPU6050，且只有它使用的是I²C總線，因此，只需要設置其工作在從發送模式即可。

　　對于STM32F103RBT6單片機而言，其硬件I²C接口極不穩定，容易發生數據錯誤和陷入死循環中，導致程序崩潰跑飛。因此，本實驗通過設置普通GPIO接口進行模擬I²C與MPU6050進行通訊。

1.2.2 對飛行器整體的控制

　　對飛行器的控制主要有三個部分。首先是對無刷直流電機的控制，在這里主要表現為PWM波的產生與調節。另一部分是對慣導系統信息的采集與讀取，以及高度信息的獲取。最后一部分就是如何處理上位機與遙控手柄發來的指令，即控制流程如何實現。

2 控制系統的軟件設計

2.1 對無刷直流電機的控制

　　對無刷直流電機的控制主要有兩個方面，一方面是通過PID算法得到控制量，另一方面是根據控制量輸出相應的PWM波。

　　另外，在對無刷電機的驅動問題上，經過實際調試發現，首先需要對電調輸入最高電壓，電調對PWM信號的識別需要一段時間，之后再對電調輸入最低電平才能實現PWM波調節范圍的設定。

2.1.1 基于PID控制器的PWM波控制量的計算

　　實際上，信號的傳遞并不一定是連續的，比如在本實驗中，信號的讀取是根據控制定時器決定讀取數據時間間隔的。因此，本設計為數字式PID控制器。

　　在實際編程中，使用離散型PID控制算法實現，具體表達式經簡化表示為：

　　其中AUK為輸出的控制量，KP、KI和KD為PID的三個參量，但需實際飛行時進行調整。EK為設定值與本次采樣值的差值;EK_1為設定值與上一次采樣值的差值;EK_2為再上一次的設定值與采樣值的差值。

　　圖3所示為具體程序流程框圖。其中針對不同的PID控制器，如俯仰PID控制器與橫滾PID控制器的不同點僅在于“控制量輸出”部分。從控制量到電機輸入電壓的轉化這一部分涉及到控制量的分配問題。因為針對每一個控制信號，以“phi_ctrl_in(橫滾控制輸入)”為例，橫滾角的控制量與2號電機和4號電機的輸入電壓相關，即該控制量的大小會改變兩個電機的輸入電壓的大小。因此，一個控制量的改變會影響整個飛行器的飛行姿態，經過反饋后，會帶動其他控制回環進行控制。即這四個控制量之間的耦合性很高。因此，在這里進行控制量分配。

　　經過反復調試后，得到一組最理想的PID參數。橫滾角phi控制器PID參數為：Kp=0.15，Ki=0，Kd=0.02;

　　俯仰角theta控制器參數： Kp=0.2，Ki=0，Kd=0.03;

　　偏航角psi控制器參數：Kp=1.1，Ki=0，Kd=0.4;

　　高度height控制器參數：Kp=6，Ki=0.2，Kd=2;

　　x軸方向加速度PID控制器參數：Kp=7，Ki=1.0，Kd=0;

　　y軸方向加速度PID控制器參數：Kp=6，Ki=1.0，Kd=0。

2.1.2 PWM波調速

　　本實驗所用四旋翼飛行器硬件平臺采用無刷直流電機，使用電子調速器作為驅動模塊。控制的核心方法為向電調發出PWM波，通過控制PWM輸出的占空比來改變電機的控制電壓，實現對電機轉速的控制。PWM波通過主控芯片產生。本文使用的主控芯片為STM32F103RBT6，它通過配置定時器工作在PWM模式下，對于通用的定時器，可以獨立地同時發出四路PWM波，完全可以滿足本實驗的要求。

　　硬件實現上，使用定時器4輸出四路PWM波信號。使定時器4工作在復用模式下，對應的外部端口為：PB6、PB7、PB8和PB9，他們分別連接1號、2號、3號和4號電機的信號控制線。

　　在對定時器4的配置上，首先打開定時器4的時鐘RCC_APB1Periph_TIM4，以及對應PB端口的時鐘RCC_APB2Periph_GPIOB。因為定時器4為通用定時器，可進行16位自動重裝載計數。使用的是單片機的固定頻率72M的時鐘信號，但可以通過改變預分頻寄存器里的值，改變計數時鐘頻率。本實驗中設定為72-1;設置波形周期TIM_Period計數上限為2000，為向上計數模式。配置TIM_OCMode為PWM1模式(即TIM脈沖寬度調制模式1)，使能四個比較通道。之后配置輸出端口，將端口設置為50MHz復用推挽輸出。最后打開使能定時周期TIM_Cmd(TIM4, ENABLE)即可開始工作。通過比較TIM_Period中的值與寄存器TIM4_CCRx中的值可以輸出不同占空比的波形。

　　經過實際實驗發現，只有當設定值為1050以上時，電調才能識別出電壓信號，即只有當占空比大于50%時，電調才會認可輸出PWM波信號。因此，對電機的占空比調節范圍為：1050/2000~2000/2000;當設定值為1050時，電機剛開始旋轉，當設定值為2000時，電機達到最高轉速。為了防止TIM4_CCRx中的值超過計數上限，也為了控制電機的最高轉速，在向TIM4_CCRx寫入轉速控制變量前進行限幅濾波，使其寫入值始終在可靠范圍內。

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第9期第48頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。