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        基于自抗擾解耦模型的四旋翼姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)

        2021-01-07 04:55:50
        計(jì)算機(jī)測量與控制 2020年12期
        關(guān)鍵詞:姿態(tài)控制驅(qū)動(dòng)器角速度

        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。自抗擾控制器無需借助系統(tǒng)精度,而利用避免誤差的方式,算法運(yùn)算簡便、具有魯棒性、適應(yīng)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢,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PCIE-PCI轉(zhuǎn)接卡和運(yùn)動(dòng)控制板卡連接起來,它借助安置在平臺(tái)的三個(gè)編碼器對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)探測與記錄,之后借助運(yùn)動(dòng)控制板卡對控制器計(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,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,并借助過電壓、過電流、過熱、欠壓等對電路進(jìn)行安全監(jiān)測與保護(hù),主回路中引入軟啟動(dòng)電路,使啟動(dòng)過程中驅(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)模塊概括來說即為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,通過通訊、傳輸?shù)刃问?,將角位移或直線位移轉(zhuǎn)變成電信號形式。按照讀出方式編碼器可分為直接基礎(chǔ)和非接觸兩種,通過確定每個(gè)位置上的數(shù)字碼,可確定示意值和測量值的關(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,得出對應(yīng)占空比的PWM波。慣性檢測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,通過擴(kuò)張狀態(tài)控制器軌跡值對動(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,建立對話框,通過界面設(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,對空間飛行器飛行姿勢進(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,調(diào)節(jié)之后將信息進(jìn)行改變,依據(jù)協(xié)議格式通過編碼傳輸給控制器對飛行姿態(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)試來對四翼的滾轉(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)來檢測危險(xiǎn)。

        萬向云臺(tái)調(diào)試優(yōu)勢顯著:1)僅對四旋翼機(jī)體產(chǎn)生向下的力,不會(huì)改變飛行姿勢;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,呈大幅度下降趨勢;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比結(jié)果 m/s2

        表4 兩種控制器角速度控制對比結(jié)果 m/s

        表5 兩種控制器姿態(tài)角控制對比結(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去,角速度控制效果較好;針對姿態(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

        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,可行性強(qiáng),后續(xù)可進(jìn)行高精確度的檢測應(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)簡化、近似處理,為控制方法在現(xiàn)實(shí)四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用上提供技術(shù)支持。

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