施 建

(浙江科技學(xué)院 信息與電子學(xué)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(tài))以及4個(gè)控制輸入(旋翼轉(zhuǎn)速)的強(qiáng)抗干擾驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，具備變量多元、非線性、強(qiáng)耦合以及干擾敏感性等特點(diǎn)，導(dǎo)致飛行操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)有很大挑戰(zhàn)[1]。另外，控制器功能特性會(huì)被模型精準(zhǔn)度以及傳感器準(zhǔn)確度干擾，控制姿態(tài)是飛行控制中最為重要的一環(huán)[2]。對(duì)于小型四旋翼飛行器姿態(tài)的管控，當(dāng)前研究比較多的是魯棒、自適應(yīng)、非線性的控制等，但是以上這些方法要求模型精度達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有復(fù)雜性，也會(huì)存在諸多不同的缺陷，造成應(yīng)用具有局限性[3]。在此基礎(chǔ)上，以自抗擾解耦模型為基礎(chǔ)的四旋翼姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)被提出來(lái)。自抗擾控制器無(wú)需借助系統(tǒng)精度，而利用避免誤差的方式，算法運(yùn)算簡(jiǎn)便、具有魯棒性、適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，而且控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性很好。引進(jìn)自抗擾控制技術(shù)，能夠有效緩解非線性耦合系統(tǒng)的操控問(wèn)題。

1 四旋翼姿態(tài)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態(tài)控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)通過(guò)PCIE-PCI轉(zhuǎn)接卡和運(yùn)動(dòng)控制板卡連接起來(lái)，它借助安置在平臺(tái)的三個(gè)編碼器對(duì)飛行仿真器的俯仰角、橫滾角、偏航角的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)與記錄，之后借助運(yùn)動(dòng)控制板卡對(duì)控制器計(jì)算4個(gè)電機(jī)的控制量進(jìn)行反饋，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，使螺旋槳形成升、降力，進(jìn)而保證控制的穩(wěn)定性[4-6]。

1.1 運(yùn)動(dòng)控制板卡

選擇MACH4運(yùn)動(dòng)控制板卡具有8個(gè)IO接口，使用隔離開(kāi)路輸出方式，獲取驅(qū)動(dòng)電流，支持4軸聯(lián)動(dòng)，同時(shí)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(jìn)/伺服驅(qū)動(dòng)器，具有USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，支持全速傳輸模式[7]。該結(jié)構(gòu)支持Mach4 個(gè)人愛(ài)好者版本,只適合Windows操作系統(tǒng)，全面支持USB熱插拔，隨時(shí)監(jiān)測(cè)USB連線狀態(tài)，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(jìn)電機(jī)[8]。支持主軸PWM調(diào)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(diào)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(lì)量)改變符合標(biāo)準(zhǔn)情況下，作用是在電氣輸出電路中，造成控制量產(chǎn)生預(yù)設(shè)的階躍改變[11]。繼電器包含控制系統(tǒng)(又名為輸入回路)與被控制系統(tǒng)(又名為輸出回路)間的互動(dòng)聯(lián)系。一般情況下在自動(dòng)化的控制電路領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，本質(zhì)上是借助小電流去操控大電流工作的一種“自動(dòng)開(kāi)關(guān)”[12]。因此在電路中的作用是自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全防護(hù)、改變電路等[13]。選擇JQX-13F型號(hào)繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 JQX-13F繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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

1.1.2 伺服驅(qū)動(dòng)器

選擇MS-S3型號(hào)帶數(shù)顯伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行更加平穩(wěn)，采用專用電機(jī)控制DSP芯片和矢量閉環(huán)控制技術(shù)，快速克服伺服驅(qū)動(dòng)器丟步問(wèn)題，同時(shí)提升電機(jī)性能，降低機(jī)器能耗?；旌纤欧?qū)動(dòng)器系統(tǒng)高速心梗要比開(kāi)環(huán)步進(jìn)提高20%以上，有效轉(zhuǎn)矩能夠提升到70%以上，進(jìn)而使電機(jī)在高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持高轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。采用電流控制技術(shù)，可根據(jù)負(fù)載不同，自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出電流大小，進(jìn)而有效降低電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱，提高運(yùn)行效率[14]。

主流的伺服驅(qū)動(dòng)器都由數(shù)字信號(hào)處理器充當(dāng)管控的關(guān)鍵，能夠完成較為復(fù)雜的控制算法運(yùn)算，達(dá)到數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化的目的。功率器件通常借助以智能功率為關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)電路，IPM內(nèi)存在驅(qū)動(dòng)電路,并借助過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等對(duì)電路進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)與保護(hù),主回路中引入軟啟動(dòng)電路,使啟動(dòng)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的沖擊力減弱[15]。功率驅(qū)動(dòng)模塊先借助三相全橋整流電路將進(jìn)入的三相電市電執(zhí)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(jī)被啟動(dòng)。功率驅(qū)動(dòng)模塊概括來(lái)說(shuō)即為AC-DC-AC。整流模塊(AC-DC)的拓?fù)潆娐芬匀嗳珮虿豢卣麟娐窞橹鱗16]。

1.2 編碼器

選擇h264R型號(hào)編碼器，具有可嵌入式硬件編碼、支持WINDOWS及LINUX等操作系統(tǒng)、支持多協(xié)議和多碼流、一鍵還原遠(yuǎn)程升級(jí)維護(hù)，該編碼器支持1路高清HDMI音視頻采集功能，具有獨(dú)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(zhì)量可控制，使用方便，不存在硬件兼容性問(wèn)題。使用H.264格式，具有穩(wěn)定高效、低時(shí)延、低碼率，高質(zhì)量視頻畫面，錯(cuò)誤恢復(fù)功能等特點(diǎn)，支持多協(xié)議、兼容多平臺(tái)。

使用編碼器可將比特流數(shù)據(jù)進(jìn)行編制和轉(zhuǎn)換，通過(guò)通訊、傳輸?shù)刃问?，將角位移或直線位移轉(zhuǎn)變成電信號(hào)形式。按照讀出方式編碼器可分為直接基礎(chǔ)和非接觸兩種，通過(guò)確定每個(gè)位置上的數(shù)字碼，可確定示意值和測(cè)量值的關(guān)系，進(jìn)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(dá)轉(zhuǎn)軸端，該方法分辨率高，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)在該量程范圍內(nèi)，可充分提高分辨率，保證來(lái)回有齒輪間隙誤差達(dá)到最小，不易于損壞編碼器。

1.3 微控制器

姿態(tài)控制器中的關(guān)鍵芯片利用ST意法半導(dǎo)體公司以Cortex- M4內(nèi)核結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)研制的STM32F407VGT6，它的通信接口資源可選擇性強(qiáng)、低功耗、低成本以及具備較全面的外設(shè)功能，而且可以進(jìn)行FPU浮點(diǎn)運(yùn)算，使數(shù)據(jù)運(yùn)算精準(zhǔn)度有所提高。芯片把慣性測(cè)量模塊獲取到的加速度、角速度數(shù)值解算為姿態(tài)角，進(jìn)行增量式控制算法分析，得出對(duì)應(yīng)占空比的PWM波。慣性檢測(cè)模塊由獲取到傳輸給主控制芯片需要大概3 ms時(shí)間，所以微控制器響應(yīng)速率需達(dá)到特定要求。以STM32F407VUT6特性角度看，接口選擇性多可以輕松達(dá)到上位機(jī)、串口、傳感器等對(duì)接口的標(biāo)準(zhǔn)需求。該控制器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 控制器參數(shù)設(shè)置

四旋翼控制器應(yīng)用32位ARM微控制器，168 MHz是頻率的最高值，作用是對(duì)多傳感器獲取的實(shí)時(shí)飛行器狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。慣性測(cè)量模塊具有陀螺儀與加速度計(jì)，借助llC串行總線獲取、傳輸數(shù)據(jù)信息到主控芯片，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理操作之后傳輸給1路PWM波控制電機(jī)。四旋翼姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 四旋翼姿態(tài)控制器結(jié)構(gòu)

2 自抗擾解耦模型控制算法

建立如圖4所示的OXYZ坐標(biāo)系。

圖4 四旋翼姿態(tài)控制器受力分析

坐標(biāo)原點(diǎn)為支撐點(diǎn)o，指向正前方電機(jī)X軸，指向右側(cè)電機(jī)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(cè)、右側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)形成力沿著Z軸，設(shè)為正方向。尾端電機(jī)旋轉(zhuǎn)使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)形成的力沿著Y軸，規(guī)定為正方向。

為分析動(dòng)力學(xué)分析及構(gòu)建相關(guān)模型，有如下假設(shè)：

1)設(shè)定控制器是剛體，將系統(tǒng)摩擦力、電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩忽略不計(jì)；

2)設(shè)系統(tǒng)左右部分對(duì)稱，質(zhì)心設(shè)在幾何中心o；

3)將伺服電機(jī)轉(zhuǎn)到特定轉(zhuǎn)速所需時(shí)長(zhǎng)忽略不計(jì)；

4)設(shè)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不發(fā)生形變。

設(shè)α、β、θ分別為滾轉(zhuǎn)角、俯仰角和偏航角，l、E分別為螺旋槳中心至機(jī)體坐標(biāo)原點(diǎn)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(shè)：

R=[R1R2R3]T=W(α，β，θ)[G1G2G3]T

(2)

則有：

(3)

式(3)中，ni(·)表示動(dòng)態(tài)耦合，通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)控制器軌跡值對(duì)動(dòng)量加以補(bǔ)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(shí)現(xiàn)控制器的解耦控制。

3 四旋翼姿態(tài)控制器軟件設(shè)計(jì)

四旋翼姿態(tài)控制器軟件部分采用Visual C + + 6.0平臺(tái)，引入自抗擾解耦模型控制算法實(shí)現(xiàn)四旋翼姿態(tài)解耦控制，并將控制信息發(fā)送至主機(jī)，主機(jī)接收信息，實(shí)現(xiàn)四旋翼姿態(tài)調(diào)控。

對(duì)于軟件設(shè)計(jì)要借助Visual C++6.0充當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景，建立對(duì)話框，通過(guò)界面設(shè)計(jì)以及有關(guān)程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行四旋翼姿態(tài)控制器性能模塊設(shè)計(jì)。借助軟件界面設(shè)計(jì)，用戶可以了解掌握控制器狀態(tài)，借助參數(shù)的設(shè)定，對(duì)空間飛行器飛行姿勢(shì)進(jìn)行調(diào)控。

在Visual C + + 6.0平臺(tái)上，同步監(jiān)控上位機(jī)，需利用平臺(tái)編譯環(huán)境性能，能夠滿足實(shí)際效果需求。借助Visual C + + 6.0能夠達(dá)到主機(jī)同外界設(shè)備相連的目的，它的接口數(shù)據(jù)可以借助此模塊與儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行連接，程序流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 控制流程設(shè)計(jì)

依據(jù)顯示控制器姿勢(shì)信息的變化，可設(shè)定人為數(shù)值的輸入或是滑桿控制，借助模式轉(zhuǎn)換能夠選取一種調(diào)控控制器飛行姿勢(shì)，調(diào)節(jié)之后將信息進(jìn)行改變，依據(jù)協(xié)議格式通過(guò)編碼傳輸給控制器對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態(tài)控制器合理性，需進(jìn)行姿態(tài)調(diào)試。

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

四旋翼姿態(tài)控制器包括四旋翼機(jī)架、電調(diào)、電機(jī)、槳葉等構(gòu)件組成，在四旋翼室外試飛行之前，必須要進(jìn)行調(diào)試來(lái)對(duì)四翼的滾轉(zhuǎn)、俯仰與偏航姿態(tài)的平穩(wěn)性進(jìn)行判別。由于四旋翼槳葉飛速旋轉(zhuǎn)可能產(chǎn)生危險(xiǎn)，借助萬(wàn)向云臺(tái)以及四旋翼飛行器構(gòu)成姿態(tài)調(diào)試系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)危險(xiǎn)。

萬(wàn)向云臺(tái)調(diào)試優(yōu)勢(shì)顯著：1)僅對(duì)四旋翼機(jī)體產(chǎn)生向下的力，不會(huì)改變飛行姿勢(shì)；2)能夠進(jìn)行小范圍的調(diào)試保障安全。在該姿態(tài)調(diào)試平臺(tái)下，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，為調(diào)試分析提供支持。

平臺(tái)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 平臺(tái)參數(shù)設(shè)置

4.2 結(jié)果與討論

選取上述表2中的數(shù)據(jù)，信息參數(shù)獲取周期是40 ms，NRF24L01無(wú)線模塊把獲取的加速度、角速度以及姿態(tài)角等信息傳輸給上位機(jī)儲(chǔ)存，在不同周期下的XYZ軸加速度、角速度以及姿態(tài)角與時(shí)間關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 加速度、角速度和姿態(tài)角-時(shí)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(dòng)；圖6(b)中3個(gè)軸上的角速度變小并有趨于一致的發(fā)展趨勢(shì)，呈大幅度下降趨勢(shì)；圖6(c)中姿態(tài)角在小幅度的范圍里波動(dòng)，從3個(gè)變量運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)中能夠判斷四旋翼逐漸趨于平穩(wěn)。

依據(jù)上述內(nèi)容，分別采用傳統(tǒng)非線性控制器和以自抗擾解耦為基礎(chǔ)的控制器進(jìn)行四旋翼姿態(tài)控制研究。

表3 兩種控制器加速度控制對(duì)比結(jié)果 m/s2

表4 兩種控制器角速度控制對(duì)比結(jié)果 m/s

表5 兩種控制器姿態(tài)角控制對(duì)比結(jié)果 (°)

根據(jù)上述內(nèi)容可知，采用自抗擾解耦控制器要比傳統(tǒng)非線性控制器更貼近實(shí)際控制效果。針對(duì)加速度控制分析，采用傳統(tǒng)控制器缺少運(yùn)動(dòng)控制板卡，無(wú)法獲取驅(qū)動(dòng)電流，導(dǎo)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(lián)動(dòng)，具有USB2.0標(biāo)準(zhǔn)接口，采用全速傳輸模式，加速度控制效果較好；針對(duì)角速度控制分析，采用傳統(tǒng)控制器缺少繼電器，導(dǎo)致角速度控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器可通過(guò)銜鐵在電磁力吸引下擺脫復(fù)位彈簧的拉力被鐵心吸引過(guò)去，角速度控制效果較好；針對(duì)姿態(tài)角控制分析，采用傳統(tǒng)控制器缺少該步驟的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致姿態(tài)角控制效果較差，而使用自抗擾解耦控制器通過(guò)增量式控制算法獲取姿態(tài)角，姿態(tài)角控制效果較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

引進(jìn)自抗擾控制技術(shù)，以自抗擾解耦為基礎(chǔ)的四旋翼姿態(tài)控制器被設(shè)計(jì)制造出，以俯仰通道作為例子，證實(shí)了自抗擾控制器是有效果的。借助參數(shù)整合和仿真結(jié)果表示，制造的自抗擾控制器魯棒性強(qiáng)、抗干擾性強(qiáng)，系統(tǒng)有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性和強(qiáng)穩(wěn)態(tài)性能，有效管控非線性耦合系統(tǒng)。設(shè)計(jì)制造的控制器應(yīng)用的信號(hào)在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的系統(tǒng)中都能夠借助傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的檢測(cè)，可行性強(qiáng)，后續(xù)可進(jìn)行高精確度的檢測(cè)應(yīng)用，借助高階滑模設(shè)計(jì)更深層次地避免顫振現(xiàn)象，將控制器中部分復(fù)雜函數(shù)項(xiàng)簡(jiǎn)化、近似處理，為控制方法在現(xiàn)實(shí)四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用上提供技術(shù)支持。