??? 摘? 要： 在四旋翼無人機(jī)飛行模式分析基礎(chǔ)上,，提出了一種四旋翼無人機(jī)的穩(wěn)定姿態(tài)導(dǎo)航控制系統(tǒng),，改進(jìn)了無刷電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器，并應(yīng)用多任務(wù)編程方案實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì),。實(shí)驗(yàn)表明,，該機(jī)載嵌入式系統(tǒng)具有可靠性高、功耗低,、重量輕,、成本低等優(yōu)點(diǎn)。?

??? 關(guān)鍵詞： 四旋翼,；無人航空器,；嵌入式系統(tǒng)；無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

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??? 隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)在國(guó)防,、軍工,、民用等各方面的廣泛應(yīng)用，飛行器的小型化和信息化的進(jìn)程不斷加速,，這使得具有廣泛用途的無人航空器UAV(Unmanned Aerial Vehicles)研制成為許多國(guó)家的研究熱點(diǎn),。微小型旋翼無人機(jī)具有使用靈活、體積小,、成本低等特點(diǎn),，是無人機(jī)發(fā)展的主要類型之一，它可以完成超低空偵察,、干擾,、監(jiān)視等各種復(fù)雜的任務(wù)。無人機(jī)的核心部分是導(dǎo)航控制系統(tǒng),，要求具有高可靠性和高抗干擾能力,。按照項(xiàng)目要求，本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)具有飛行姿態(tài)測(cè)量,、控制,、增穩(wěn)、視頻監(jiān)控等各種功能,。?

1 四旋翼無人機(jī)飛行模式分析?

??? 由于微型無人機(jī)飛行姿態(tài)多變,，為了增大無人直升機(jī)的帶載能力，該無人機(jī)采用了四旋翼的機(jī)械結(jié)構(gòu),，通過機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)控制使其各旋翼之間協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),，實(shí)現(xiàn)四旋翼無人機(jī)的飛行姿態(tài)自動(dòng)調(diào)整，可按要求完成垂直起落控制,、空中懸?？刂啤?a class="innerlink" href="http://wldgj.com/tags/偏航" title="偏航" target="_blank">偏航控制,、滾轉(zhuǎn)控制,、俯仰控制等多種動(dòng)作及任務(wù)。四旋翼無人機(jī)在各種結(jié)構(gòu)特征參數(shù)確定的情況下,，通過改變旋翼轉(zhuǎn)速來改變拉力,。四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及受力分析如圖1所示。?

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??? 四旋翼無人機(jī)是在改變旋翼拉力與自身重力間關(guān)系的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)各種飛行姿態(tài)的變化,。每個(gè)旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)拉力f_dragi(i=1,，2，3,，4)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：?

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??? 式(1)中：ρ為空氣密度,，C_T為拉力系數(shù)，A_i為第i個(gè)旋翼槳盤面積,，W_i為第i個(gè)旋翼電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度,，R_i為第i個(gè)旋翼槳葉片長(zhǎng)。在四旋翼無人機(jī)設(shè)計(jì)中,，四旋翼采用相同的電機(jī)與相同材質(zhì)及相同大小的槳葉片,，可近似把A_i、C_T,、R_i看作一常量,，則式(1)可簡(jiǎn)化為：?

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其中：k_dragi>0為依賴于空氣密度的常數(shù),，ω_i為第i個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。由式(2)可見,，通過給定PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制四翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼電機(jī)拉力的控制，完成整個(gè)飛行器的動(dòng)作,。?

??? 在地球慣性坐標(biāo)系R_W=(E_x,，E_y，E_z)與機(jī)載坐標(biāo)系ξ=(x,，y,，z)下，以電機(jī)M1方向?yàn)榍胺?，旋翼電機(jī)M1與M3逆時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn),，旋翼電機(jī)M2與M4順時(shí)鐘方向旋轉(zhuǎn)；Ψ為飛行器偏航角,，θ為飛行器滾動(dòng)角,，φ為飛行器俯仰角。在圖中f₁,、f₂,、f₃、f₄分別為四旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向上拉力矢量,，(i=1,，2，3,，4)為第i個(gè)電機(jī)為克服電機(jī)轉(zhuǎn)軸葉片拉力與加速度而產(chǎn)生的反作用力矩,，mg為飛行器合重力矢量，L是從電機(jī)軸到四旋翼飛行器重心軸的垂直距離,，則四旋翼飛行器總合力矢量u,、偏航力矩τ_Ψ、滾動(dòng)力矩τ_θ和俯仰力矩τ_φ為：?

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??? 由式(3)可知,，如果四旋翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的合拉力與飛行器自身重力相等,，即u=0時(shí)，飛行器在空中懸停,；當(dāng)u>0時(shí),，飛行器上升；u<0時(shí),，飛行器下降,。在保持拉力f₂與f₄不變條件下，通過控制合力f₁-f₃差的大小,，飛行器可進(jìn)行俯仰飛行(前進(jìn)與后退)控制,。當(dāng)保持拉力f₁與f₃不變條件下,，通過控制合力f₂-f₄差的大小，飛行器可進(jìn)行滾轉(zhuǎn)(左右)飛行,；而通過控制偏航力矩τ_Ψ大小,，飛行器可進(jìn)行偏航飛行控制。?

2 四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)架與硬件設(shè)計(jì)?

??? 機(jī)載控制系統(tǒng)集成了微型陀螺儀,、加速度傳感器、大氣氣壓傳感器,、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)量單元和GPS接收單元,。整個(gè)控制系統(tǒng)采用飛思卡爾公司(Freescale)生產(chǎn)的32位微控制器MCF51QE128完成對(duì)各種傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理運(yùn)算,、飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制和任務(wù)控制等功能,，使機(jī)載控制系統(tǒng)根據(jù)控制算法處理結(jié)果輸出四路PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)四旋翼旋轉(zhuǎn)力矩來穩(wěn)定無人機(jī)的飛行姿態(tài),。整個(gè)四旋翼無人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,，其主要分為無人機(jī)機(jī)載控制部分和無人機(jī)地面控制部分。?

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??? 無人機(jī)機(jī)載控制部分主要由控制系統(tǒng)核心模塊,、慣性測(cè)量單元模塊IMU(Inertial Measurement Unit),、壓力傳感器模塊、無線部分（無線控制信號(hào)接收模塊,、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,、全球定位系統(tǒng)模塊、無線視頻傳輸模塊）,、電機(jī)控制部分（電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊,、電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊）以及紅外距離傳感器模塊等組成?？刂葡到y(tǒng)核心模塊主要由微控制器最小系統(tǒng)和高精密供電電源部分組成,。微控制器最小系統(tǒng)由32位微控制器及其相關(guān)附屬電路組成；精密電源為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(A/D),、各種測(cè)量傳感器等提供高精度的電源,，其目的是為了穩(wěn)定供電電壓、提高電路的抗干擾能力和減小電壓不穩(wěn)造成的測(cè)量誤差,。其系統(tǒng)無線部分由低功耗,、低成本的Xbee-PRO無線射頻模塊、6通道FLY100C控制信號(hào)接收模塊和無線視頻傳輸模塊組成,。實(shí)時(shí)與地面控制系統(tǒng)交換信息,，接收地面控制系統(tǒng)傳輸?shù)娘w行控制指令信號(hào)、向地面控制系統(tǒng)發(fā)送當(dāng)前無人機(jī)實(shí)時(shí)飛行和姿態(tài)數(shù)據(jù)等相應(yīng)信息,、發(fā)送機(jī)載的實(shí)時(shí)采集視頻信息,，以完成指定的飛行控制任務(wù),。?

2.1 慣性測(cè)量單元?

??? 采用美國(guó)AD公司基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(iMEMS)技術(shù)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,、重量輕,、成本低的三個(gè)絕對(duì)值單軸陀螺傳感器ADXRS613和一個(gè)兩軸加速度傳感器ADXL203組成了IMU慣性測(cè)量單元，用于檢測(cè)無人機(jī)的角速度變化與角加速度的變化,。根據(jù)檢測(cè)到的角速度傳感器值和加速度傳感器值,，利用濾波器進(jìn)行積分及補(bǔ)償運(yùn)算估計(jì)解算得到姿態(tài)角，減小單一利用陀螺測(cè)量造成的累積誤差,，從而使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可靠四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制,。?

??? 利用陀螺傳感器在測(cè)量角速度時(shí)具有良好高頻的特性和加速度傳感器在測(cè)量角位移時(shí)良好低頻的特性，采用濾波器（互補(bǔ)濾波器,、卡爾曼濾波器,、擴(kuò)展卡爾曼濾波器）進(jìn)行積分及補(bǔ)償運(yùn)算估計(jì)的方法解算獲得所需的姿態(tài)角。在無人飛行器實(shí)際控制中,，盡可能降低延時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響,。由于互補(bǔ)濾波器容易實(shí)現(xiàn)，且不易引入較大的延時(shí)誤差,，因此適合于該系統(tǒng)的應(yīng)用,。系統(tǒng)所采用的互補(bǔ)濾波器原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中F_H(S)代表高通濾波器傳遞函數(shù),，F(xiàn)_L(S)代表低通濾波器傳遞函數(shù),，且滿足F_H(S)+F_L(S)=1。三個(gè)陀螺傳感器中心軸兩兩互相正交安裝,，加速度傳感器XY平面與陀螺傳感器Z軸垂直,。?

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2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制部分?

??? 四旋翼無人機(jī)的飛行運(yùn)動(dòng)靠機(jī)載控制器輸出的PWM脈寬變化完成，不同的信號(hào)脈寬對(duì)應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速,。輸入信號(hào)脈寬在一定范圍內(nèi)與無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,，通用的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可接受伺服驅(qū)動(dòng)正頻脈寬為1 ms～2 ms，信號(hào)脈寬周期T最大為20 ms,，即信號(hào)頻率最低為50 Hz,。通用驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖4所示。?

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??? 由圖4可知,，若采用PWM信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)來控制無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,，如采用頻率50 Hz的PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，則PWM信號(hào)占空比可控調(diào)節(jié)范圍為5%~10%,，占空比利用率僅為5%,；如升高PWM信號(hào)頻率至100 Hz，則PWM信號(hào)占空比可控調(diào)節(jié)范圍變?yōu)?0%~20%,，占空比利用率升高至10%,。由此可知升高PWM信號(hào)頻率可以增加信號(hào)可控調(diào)節(jié)變化范圍,，提高占空比利用率。但通用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可接受的PWM信號(hào)頻率最高可為500 Hz,，PWM信號(hào)占空比可控調(diào)節(jié)范圍為50%~100%,，占空比利用率最高僅50 %，很大部分范圍內(nèi)的信號(hào)是無用信號(hào),，占空比利用效率較低,。?

??? 為提高控制信號(hào)占空比的可利用效率，自行研究開發(fā)了一款改進(jìn)型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,，改進(jìn)驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖5所示,。改進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)頻率為1 000 Hz，信號(hào)占空比可控調(diào)節(jié)范圍為15%~100%,，占空比利用率85%,，從根本上解決了驅(qū)動(dòng)器信號(hào)占空比利用率低的問題,，使PWM控制信號(hào)范圍擴(kuò)大,，控制步距縮小，并在微型四旋翼無人機(jī)項(xiàng)目中得到應(yīng)用,。?

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??? 另外,，當(dāng)四旋翼無人機(jī)在執(zhí)行空中懸停模式時(shí)，要求其穩(wěn)定地懸停在所要求的空間位置上,。但是在實(shí)際環(huán)境中,，由于存在著電氣及空氣動(dòng)力學(xué)等多方面干擾因素的影響，即使給四翼電機(jī)驅(qū)動(dòng)器施加相同的控制信號(hào),，四個(gè)電機(jī)也不可能以所需求的相應(yīng)速度運(yùn)行,。為了克服所存在的問題，在UAV控制中還對(duì)轉(zhuǎn)子速度進(jìn)行測(cè)量,。?

3 機(jī)載系統(tǒng)軟件策略與實(shí)現(xiàn)?

??? 該機(jī)載嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II,，采用C語言編寫，模塊化的方法進(jìn)行開發(fā),。嵌入式系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)機(jī)流程圖如圖6所示,。?

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??? 信號(hào)檢測(cè)任務(wù)是為了安全考慮，只有當(dāng)有效信號(hào)被檢測(cè)到時(shí)才觸發(fā)控制算法事件,，否則程序一直維持在等待狀態(tài)的安全模式,。當(dāng)微控制器程序退出安全模式后，就執(zhí)行主程序事件,，其包括五個(gè)狀態(tài)事件,。IMU數(shù)據(jù)更新（第一個(gè)狀態(tài)事件），每間隔15 ms 獲取角位置與角速度信息以及測(cè)量轉(zhuǎn)速量,；當(dāng)飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)被獲得后,，執(zhí)行控制算法任務(wù)（第二個(gè)狀態(tài)事件）,，從而獲得穩(wěn)定飛行器的控制信號(hào)量；之后立即執(zhí)行控制PWM任務(wù)（第三個(gè)狀態(tài)事件）,，使其按照式(4)計(jì)算輸出控制PWM給定量,。其中u為油門控制輸入量，τ_Ψ,、τ_θ,、τ_φ分別為偏航、俯仰,、滾動(dòng)的瞬時(shí)控制輸入量,，veli與為第i個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速量與PWM控制信號(hào)輸出量。?

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??? 每200 ms進(jìn)行一次GPS信息更新(第四個(gè)狀態(tài)事件),，其采用中斷方式進(jìn)行,。每210 ms使用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與地面站進(jìn)行一次交換信息（第五個(gè)狀態(tài)事件），其是服務(wù)優(yōu)先級(jí)最低的事件,。?

??? 本文對(duì)四旋翼無人機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行了概要性闡述,，并進(jìn)一步探討了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)方案，其控制系統(tǒng)已在法國(guó)HEUDIASYC實(shí)驗(yàn)室的四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)中得到成功應(yīng)用,。實(shí)驗(yàn)表明,，該導(dǎo)航控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠,、性能穩(wěn)定,、功耗較低，較好地滿足了其設(shè)計(jì)要求,。?

參考文獻(xiàn)?

[1] WENG K W,，Abidin M.S.B.Design and control of a quadrotor flying robot for aerial surveillance.4th student?conference on research and development.Malaysia，2006,，6.?

[2] JEAN J H,，LAI J H.Design and implementation of a visual?servo system for aerial surveillance applications based on?shape features.IEEE international conference on?mechatronics.，Taipei,，2005,，7.?

[3] CASTILLO P，DZUL A,，LOZANO R.Real-time stabilization?and tracking of a four rotor mini rotorcraft.IEEE?transactions on control systems technology,，2004，12(7).?

[4] CASTILLO P,，LOZANO R,，DZUL A.Stablilization of a mini?rotorcraft with four rotors.IEEE control systems magazine，2005，25(11).?

[5] NWE T T,，HTIKE T,，MON K M.Application of an inertial?navigation system to the quad-rotor UAV using MEMS sensors.Proceedings of world academy of science，2008,，32(8).?

[6] NICE E B.Design of a four rotor hovering vehicle.Master’s?thesis in Cornell University,，New York，U.S.,，2004.?

[7] Analog Devices company.ADXL203 Data Sheet.http://www.analog.com/static/imported-files/datasheets/ADXL103_203.pdf,，2006.?

[8] Analog Devices company.ADXRS613 Data Sheet.http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/ADXRS613.pdf，2008.?

[9] Freescale company.MCF51QE128 Data Sheet Rev.4.http://www.freescale.com/files/32bit/doc/data_sheet/MCF51QE128.pdf,，2007.?

[10] Maxstream company.Xbee-Pro manual.http://ftp1.digi.com/support/documentation/manual_xb_oem-rf-modules_802.15.4_v1.xAx.pdf,，2007.