葉均磊 魏金 袁晨宇 雷劭雨 楊榮強(qiáng)

摘要：本項(xiàng)目研究四軸飛行器自動(dòng)巡航設(shè)計(jì)方案。通過(guò)分析四軸飛行器的結(jié)構(gòu)和飛行原理，同時(shí)根據(jù)Ar-duPilotMega自動(dòng)駕駛儀（簡(jiǎn)稱 APM 自動(dòng)駕駛儀）的性能特點(diǎn)、硬件構(gòu)成，提出了一種四軸飛行器搭載APM 自動(dòng)駕駛儀的自動(dòng)巡航設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)的四軸飛行器具備空間定位，低空巡航等基本功能。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)得出，四軸飛行器能較好穩(wěn)定于APM 自動(dòng)駕駛儀平臺(tái)上，該設(shè)計(jì)方案符合四軸飛行器自動(dòng)巡航的要求。

關(guān)鍵詞：APM自動(dòng)駕駛儀;Mission Planner地面站;四軸飛行器;自動(dòng)巡航;PID控制算法

0? 引言

四軸飛行器通過(guò)電機(jī)傳動(dòng)裝置，遙控操縱其飛行姿態(tài)的一種飛行器。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同一水平面上具有4個(gè)形狀大小相同的對(duì)稱螺旋槳，4個(gè)電機(jī)安裝在飛行器支腳架末端，動(dòng)力裝置、傳感控制器及其他外載設(shè)備固定在支角架上。隨著電子電工技術(shù)、傳感器技術(shù)和工程控制理論的不斷發(fā)展，使四軸飛行器的自動(dòng)巡航控制得以實(shí)現(xiàn)，并得到了廣泛的關(guān)注和研究。通過(guò)低成本的APM自動(dòng)駕駛儀能較好的實(shí)現(xiàn)四軸飛行器自動(dòng)巡航。APM自動(dòng)駕駛儀攜帶多種功能性模塊，通過(guò)Mission Planner地面站進(jìn)行監(jiān)控組成一套四軸飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)巡航的四軸飛行器使用操作方便，廣泛應(yīng)用于偵查、空中電子對(duì)抗、航拍測(cè)繪、安保領(lǐng)域、基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)、勘測(cè)設(shè)計(jì)、項(xiàng)目施工進(jìn)度檢查、污染物排放監(jiān)測(cè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等。

1? 飛行器結(jié)構(gòu)特性與飛行機(jī)理

1.1 結(jié)構(gòu)特性

四軸飛行器的螺旋槳分別安裝在對(duì)稱的X型布局結(jié)構(gòu)的4個(gè)頂點(diǎn)的電機(jī)上，分為前后和左右兩組。當(dāng)螺旋槳開(kāi)始動(dòng)作時(shí)，四軸飛行器機(jī)身受到的反扭矩方向與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī)0和電機(jī)2帶動(dòng)螺旋槳逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)1和電機(jī)3帶動(dòng)的螺旋槳必須順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而平衡螺旋槳對(duì)飛行器機(jī)身的反扭矩。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸飛行器在空間6個(gè)自由度的控制，就可以進(jìn)行相應(yīng)的飛行動(dòng)作。圖1所示為四軸飛行器的結(jié)構(gòu)特性圖。

1.2 飛行機(jī)理

在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，螺旋槳的轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的升力等于飛行器自身重力時(shí)，飛行器保持空中懸停狀態(tài)。飛行器任何一組對(duì)角螺旋槳轉(zhuǎn)速等量增大或減小而另一組對(duì)角螺旋槳轉(zhuǎn)速不變時(shí)，飛行器進(jìn)行偏航運(yùn)動(dòng)。4個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速等量增大或減小時(shí)，飛行器進(jìn)行豎直向上或豎直向下的運(yùn)動(dòng)。任何一個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速增大或減小時(shí)，其對(duì)角螺旋槳轉(zhuǎn)速相應(yīng)的等量減小或增大時(shí)，飛行器向螺旋槳轉(zhuǎn)速減小的方向傾斜，進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)或滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圖2所示為四軸飛行器的飛行機(jī)理圖。

2? 系統(tǒng)功能與總體方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是由四軸飛行器、Mission Planner地面站和航模遙控器等組成。操作人員通過(guò)Mission Planner地面站規(guī)劃四軸飛行器巡航路線，將路徑數(shù)據(jù)下載到自動(dòng)巡航控制模塊。四軸飛行器使用12.6V的2200ma 3S鋰電池供電，在巡航途中遇到無(wú)法處置的情況時(shí)，則可以切換手動(dòng)模式進(jìn)行相關(guān)操作，以免產(chǎn)生不必要的麻煩。GPS模塊和氣壓計(jì)模塊可以獲取處于動(dòng)作狀態(tài)下的四軸飛行器的經(jīng)緯度坐標(biāo)和飛行高度數(shù)據(jù)，APM自動(dòng)駕駛儀使用 3DR數(shù)傳模塊進(jìn)行通信，MP的連接波特率為 57600，保證了四軸飛行器的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)數(shù)據(jù)顯示在Mission Planner地面站上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的可操作性和和準(zhǔn)確度。如圖3所示四軸飛行器功能框架圖。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 APM飛控系統(tǒng)

自動(dòng)巡航系統(tǒng)是控制飛行器按照規(guī)劃路線進(jìn)行飛行。此功能需要多種模塊之間相互協(xié)調(diào)配合。根據(jù)四軸飛行器實(shí)際功能要求，系統(tǒng)包括MCU-ATMEGA2560主控制器、NEO-M8N GPS模塊、氣壓計(jì)模塊、3DR數(shù)傳模塊以及電源。主控制器獲取處理傳感器的信息，PID控制算法解析出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)I2C端口發(fā)送給電機(jī)調(diào)速器，氣壓計(jì)檢測(cè)飛行器的高度，數(shù)傳模塊用于傳輸控制指令，電源提供動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)四軸飛行器自動(dòng)巡航。如圖4為APM自動(dòng)駕駛儀硬件圖。

3.2 主控制器

MCU-ATMEGA2560-16AU為低功率CMOS 8位微控制器，強(qiáng)化了高級(jí)的RISC架構(gòu)，可以全靜態(tài)操作。通過(guò)在一個(gè)單時(shí)鐘循環(huán)中執(zhí)行強(qiáng)大的指令，MCU-ATMEGA2560-16AU可達(dá)到接近1MIPS/Hz的吞吐量，擁有SPI、USART、I2C三種嵌入式接口類型，其CPU處理速度為16MHz，能夠優(yōu)化針對(duì)處理速度的能量消耗。廣泛應(yīng)用于時(shí)鐘與計(jì)時(shí)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制、傳感儀器、嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)等方面。

3.3 GPS模塊

通過(guò)NEO-M8N GPS模塊來(lái)獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，NEO-M8N GPS模塊其中包括HMC5883L數(shù)字羅盤(pán)，保持低功耗，具有很高的靈敏度和出色的接收能力。該模塊具有陶瓷貼片天線的有源電路，并封裝在塑料盒中以保護(hù)模塊不受器件影響，以10Hz的頻率輸出精確位置更新，NEO-M8N GPS配置為38400的波特率運(yùn)行，同時(shí)接受GPS/QZSS，GLONASS和北斗的信號(hào)，如圖5所示為GPS模塊硬件圖。

3.4 氣壓計(jì)模塊

通過(guò)MS5611氣壓計(jì)測(cè)量四軸飛行器的高度。MS5611氣壓計(jì)是由MEAS（瑞士）推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器。分辨率可達(dá)到10cm，適合高度測(cè)量。傳感器模塊具有一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)24位低功耗的AD轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有工廠校準(zhǔn)系數(shù)。提供了一個(gè)精確的24位壓力值、溫度值以及不同的操作模式，可以優(yōu)化轉(zhuǎn)換速度和電流消耗。尺寸小，便于集成，具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號(hào)滯后。

3.5 無(wú)線數(shù)傳模塊

3DR無(wú)線數(shù)傳是APM自動(dòng)駕駛儀的一個(gè)數(shù)傳模塊，數(shù)傳模塊接收頻率時(shí)433MHz，功率是100MW，有效距離約500m。用USB線插上電腦端，經(jīng)調(diào)試后連接到地面站，無(wú)線數(shù)傳能實(shí)時(shí)傳輸飛行數(shù)據(jù)到地面站，有利于監(jiān)控和調(diào)試飛行器。

4? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 姿態(tài)控制設(shè)計(jì)

四軸飛行器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易受到各種外在因素的作用?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)傳感器獲取飛行器的姿態(tài)信息，PID控制算法解析出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)I2C端口發(fā)送給電機(jī)調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行姿態(tài)的控制。其主要功能：

①主控制器獲取處理相關(guān)信息;

②傳感器同步監(jiān)測(cè)飛行器的狀態(tài);

③主控制器與Mission Planner地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;

④系統(tǒng)能進(jìn)行數(shù)字傳輸。

4.2 電機(jī)串級(jí)PID控制

串級(jí)PID控制采用角度和角速度兩級(jí)PID，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性較強(qiáng)。電機(jī)由雙環(huán)控制，主測(cè)量單元與主控制器組成外環(huán)的閉合回路，副測(cè)量單元和副控制器組成內(nèi)環(huán)的閉合回路。串級(jí)控制是采用一個(gè)測(cè)量單元和兩個(gè)反饋回路形成閉環(huán)來(lái)獲取和克服系統(tǒng)干擾，修正誤差保持穩(wěn)態(tài)。如圖6所示。

主測(cè)量單元Gacc（s）：測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前的姿態(tài)角。姿態(tài)角是姿態(tài)解算結(jié)果中的最優(yōu)估計(jì)值。

主控制器Wacc（s）：姿態(tài)角控制器，控制方法為比例控制（P），其輸入為姿態(tài)角的誤差，即姿態(tài)角期望減去當(dāng)前姿態(tài)角，姿態(tài)角控制器的輸出結(jié)果是角速度期望。

副測(cè)量單元Ggyro（s）：測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前的角速度。角速度值是狀態(tài)估計(jì)得到其最優(yōu)估計(jì)值。

副控制器Wgyro（s）*G1（s）：角速度控制器，控制方法為比例-積分-微分控制（PID），其輸入為角速度誤差，即角速度期望減去當(dāng)前角速度，角速度控制器的輸出結(jié)果為電機(jī)的控制量。

系統(tǒng)的期望值與主測(cè)量結(jié)果輸入給外環(huán)主控制器，外環(huán)主控制器的輸出與副測(cè)量結(jié)果作為輸入給內(nèi)環(huán)副控制器。而副控制器的輸出會(huì)最終影響執(zhí)行器的執(zhí)行結(jié)果。

當(dāng)飛行器出現(xiàn)擾動(dòng)姿態(tài)角沒(méi)有發(fā)生變化時(shí)，主控制器不能預(yù)知系統(tǒng)的角度誤差，但是副控制器的測(cè)量單元可以感知角速度的變化，可以反饋給副控制器，副控制器針對(duì)角速度的誤差進(jìn)行PID控制得到輸出，交給執(zhí)行器使飛行器快速消除誤差，保持穩(wěn)態(tài)。另一方面主控制器得到一個(gè)期望姿態(tài)角度，姿態(tài)期望減去主測(cè)量單元的測(cè)量值得到主控制器的輸入誤差，主控控制器通過(guò)P控制得到角速度期望，此時(shí)角速度期望減去副測(cè)量單元的測(cè)量值得到角速度誤差，并將此誤差輸入給副控制器，副控制器通過(guò)PID控制得到輸出，交給執(zhí)行器使飛行器快速消除角速度誤差，使得飛行器在期望的姿態(tài)角狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

內(nèi)環(huán)回路提高了控制系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。內(nèi)環(huán)控制的物理量比外環(huán)控制的物理量更加敏感，更加快速。對(duì)飛行器的位置達(dá)到有效的控制，并且能夠快速感知和消除擾動(dòng)，將位置控制作為外環(huán)主控制器，將速度控制作為內(nèi)環(huán)副控制器，因?yàn)樗俣缺任恢米兓舾?，更快速?/p>

4.3 Mission Planner地面站

控制系統(tǒng)在接收到Mission Planner地面站發(fā)來(lái)的坐標(biāo)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)PID控制算法解析出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而修正四軸飛行器的飛行姿態(tài)，四軸飛行器達(dá)到設(shè)定的飛行高度時(shí)開(kāi)始飛向目標(biāo)航點(diǎn)。Mission Planner地面站流程如圖7所示。

5? 結(jié)語(yǔ)

本文詳述了一種四軸飛行器基于APM自動(dòng)駕駛儀自動(dòng)巡航系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，模塊化的框架式硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有優(yōu)異的再開(kāi)發(fā)性和可移植性。MCU-ATMEGA2560主控制器具有多個(gè)外設(shè)接口和高效的計(jì)算能力，NEO-M8N GPS，MS5611氣壓計(jì)，3DR數(shù)傳等模塊保證了四軸飛行器飛行穩(wěn)定性。本文所設(shè)計(jì)的四軸飛行器操縱簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和拓展性好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，四軸飛行器能夠在相對(duì)高度下自動(dòng)巡航。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙陽(yáng)，王敏，徐志輝，史非凡，王玉斌.四軸飛行器的結(jié)構(gòu)和控制綜述[J].科風(fēng)，2019（31）：159.

[2]樊佳瑞，胡心蕊，李楊，陳涇源.四軸飛行器自動(dòng)巡航系統(tǒng)[J].電子世界，2017（11）：188-189.

[3]趙佳，羅志堯，胡橋福，楊勇.微型四旋翼飛行器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子制作，2019（Z1）：10-11，58.

[4]孫佳銘，李麗霞.基于PID算法的開(kāi)源小四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，15（01）：63-67.

[5]李強(qiáng).四軸飛行器飛控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究[D].南昌大學(xué)，2018.

[6]盛希寧，蔡舒旻.四軸飛行器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2018，46（04）：40-43.

[7]王莉，張紫燁，牛群峰，趙艷陽(yáng)，石磊.基于MPU9250和MS5611的人體姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2019，42（04）：978-983.

[8]李威，邱霞，徐德利.一種自適應(yīng)的四軸飛行器PID控制算法[J].湖北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，36（01）：5-9.

[9]謝雨松.自主巡航的四軸飛行器的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016，12（11）：250-253.