李位星，王大東，葛聲揚，潘 峰

（北京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100081）

近幾年，以一流人才培養(yǎng)、一流本科教育、一流專業(yè)建設(shè)為目標的新工科建設(shè)在各高校積極推進。高校作為人才培養(yǎng)的重要基地，需要為國家科技創(chuàng)新發(fā)展不斷培養(yǎng)優(yōu)秀的具備創(chuàng)新思維和實踐能力的新時代人才。當(dāng)前，高校對學(xué)生創(chuàng)新與實踐能力的培養(yǎng)還主要依靠培養(yǎng)計劃中的實驗教學(xué)環(huán)節(jié)來完成，已不能滿足實際需求。科技競賽越來越吸引大學(xué)生對自身創(chuàng)新實踐能力提升的關(guān)注，但競賽只能滿足少數(shù)學(xué)生的需求。因此提升實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的含金量，加強在實驗教學(xué)中對學(xué)生綜合應(yīng)用理論知識解決實際問題能力的培養(yǎng)，是高校實驗教學(xué)改革的核心任務(wù)。

為滿足學(xué)生對創(chuàng)新實踐能力提升的需求，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用多門理論課程知識解決實際工程問題的能力。本文以四旋翼無人機為載體，設(shè)計了一種四旋翼無人機實驗教學(xué)平臺。四旋翼無人機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但涉及電子技術(shù)、自動控制、計算機等多學(xué)科的知識，國內(nèi)也有不少教學(xué)儀器廠商開發(fā)了基于四旋翼無人機的教學(xué)設(shè)備，但只能為學(xué)生開設(shè)定制好的實驗課程，產(chǎn)品開源性較差，不利于學(xué)生的自主創(chuàng)新設(shè)計。因此，本平臺設(shè)計了以STM32 單片機為核心的飛行控制器，完成了四旋翼無人機硬件和軟件的設(shè)計，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了無人機綜合實驗項目。學(xué)生在該平臺上可以完成無人機姿態(tài)解算和飛行控制的理論學(xué)習(xí)與驗證、無人機組裝與調(diào)試、無人機任務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)等多個環(huán)節(jié)的實驗實踐學(xué)習(xí)[1-10]。

1 四旋翼無人機實驗教學(xué)平臺設(shè)計

為滿足自動化、電子及機電等相關(guān)專業(yè)的綜合性實踐實驗課程的開設(shè)要求，四旋翼無人機實驗教學(xué)平臺采用模塊化的結(jié)構(gòu)，也便于平臺設(shè)備的維修與功能擴展。該平臺的硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 四旋翼無人機實驗教學(xué)平臺硬件結(jié)構(gòu)

該實驗平臺主要包括三部分：飛控子系統(tǒng)、懸停子系統(tǒng)和導(dǎo)航子系統(tǒng)。飛控子系統(tǒng)以STM32F407 單片機為核心，使用ICM20602 姿態(tài)傳感器實現(xiàn)無人機的飛行控制功能；懸停子系統(tǒng)由激光和光流傳感器組成，完成無人機定點懸停功能；導(dǎo)航子系統(tǒng)由視覺里程計和機載計算機組成，為無人機提供定位信息和飛行路徑規(guī)劃。根據(jù)四旋翼無人機系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)，實驗平臺的系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 四旋翼無人機系統(tǒng)框圖

2 四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 飛行控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計

飛行控制器硬件系統(tǒng)框圖如圖3 所示。STM32F407芯片作為中央處理單元，主頻高達168 MHz，片內(nèi)封裝了512 kB 的Flash 和192 kB 的SRAM，自帶DSP指令和浮點處理單元有利于提高無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)的解算速度，支持UART、I2C、SPI、USB 等常見的接口。姿態(tài)傳感器芯片ICM20602 相比傳統(tǒng)的MPU6050，具有輸出數(shù)據(jù)穩(wěn)定、精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，內(nèi)部包含了3 軸陀螺儀、3 軸加速度計和溫度傳感器，可以通過SPI 由主控芯片快速讀取姿態(tài)數(shù)據(jù)并進行解算。此外，硬件電路還集成了氣壓計，也是通過SPI由主控芯片讀取高度數(shù)據(jù)。Flash 儲存芯片W25Q32 用于記錄無人機在飛行過程中的實時數(shù)據(jù)。硬件電路板還預(yù)留了USB、UART、SWD 等接口，用來實現(xiàn)無人機與上位機、機載計算機、外接激光和光流傳感器的通信，同時設(shè)計了LED 指示燈實時顯示無人機狀態(tài)。為了實現(xiàn)無人機的控制，系統(tǒng)設(shè)計了16 路PWM 輸入輸出接口，其中8 路用于輸入接收到的遙控器信號，可支持PPM 和PWM 遙控器信號；另外8 路用于輸出旋翼無人機電機驅(qū)動信號。

圖3 飛行控制器硬件原理框圖

2.2 飛行控制器控制算法設(shè)計

無人機的飛行控制主要包括姿態(tài)、高度和位置控制，其中姿態(tài)控制是核心[11]。為實現(xiàn)四旋翼無人機的穩(wěn)定飛行控制，設(shè)計了三個雙閉環(huán)串級PID 控制器分別實現(xiàn)四旋翼無人機的姿態(tài)、高度和位置的控制，其中姿態(tài)控制框圖如圖4 所示，高度和位置控制框圖與姿態(tài)控制類似。姿態(tài)雙閉環(huán)控制中內(nèi)環(huán)實現(xiàn)角速度控制，外環(huán)實現(xiàn)角度的期望誤差控制[12]，系統(tǒng)中的PID控器制均采用了離散增量PID 算法，公式為：

式中，n是采樣序號，n=0,1,…；U(n) 是第n次采樣時的輸出；e(n) 和e(n-1) 分別是第n和(n-1) 次采樣時的輸入誤差；Kp、Ki、Kd分別是比例、積分、微分系數(shù)；Ti是積分時間常數(shù)；Td是微分時間常數(shù)；T是采樣周期。

圖4 四旋翼無人機姿態(tài)雙閉環(huán)控制框圖

2.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為方便學(xué)生在實驗項目中實現(xiàn)軟件算法，提高軟件系統(tǒng)功能的可擴展性和易維護性，該平臺的軟件系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計思想，主要包括底層軟件子系統(tǒng)和ROS 應(yīng)用軟件子系統(tǒng)，如圖5 所示。

圖5 實驗平臺軟件總體框圖

底層軟件子系統(tǒng)在飛行控制器中實現(xiàn)，主要包括硬件驅(qū)動、傳感器驅(qū)動和飛行控制應(yīng)用三個模塊。其中，硬件驅(qū)動模塊完成STM32 芯片底層設(shè)備的驅(qū)動功能，傳感器驅(qū)動模塊完成姿態(tài)傳感器、激光和光流傳感器等的讀取任務(wù)，飛行控制應(yīng)用模塊完成數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)及姿態(tài)和位置控制算法。ROS 應(yīng)用軟件子系統(tǒng)主要在機載工控機中實現(xiàn)，主要包括傳感器數(shù)據(jù)采集程序和ROS 應(yīng)用層軟件。其中，傳感器數(shù)據(jù)采集程序完成攝像頭、激光雷達和視覺里程計等傳感器的數(shù)據(jù)讀取任務(wù)，ROS 應(yīng)用層軟件完成數(shù)據(jù)的濾波、融合及任務(wù)實現(xiàn)的控制策略等。

飛行控制器與機載計算機之間采用串口通信，分為串口讀和串口寫兩部分。其中，串口讀Read() 傳輸?shù)氖秋w控的反饋數(shù)據(jù)（見表1），包括無人機的姿態(tài)、高度等信息，為無人機導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合、控制策略等任務(wù)提供實時反饋信息；串口寫Write() 傳輸?shù)氖菍?dǎo)航系統(tǒng)的命令信號（見表2），包括導(dǎo)航系統(tǒng)向無人機發(fā)送的期望位置、控制量等信息，實現(xiàn)對飛行控制系統(tǒng)的外部控制信號的發(fā)送，以此完成設(shè)計的飛行任務(wù)。

表1 串口反饋數(shù)據(jù)

表2 串口命令信號

3 實驗教學(xué)項目設(shè)計與實施

以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力為理念，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題及團隊協(xié)作能力為導(dǎo)向，加強學(xué)生對四旋翼無人機組成及飛行控制原理的掌握為教學(xué)目標，本文設(shè)計了四旋翼無人機的組裝、操控和參數(shù)調(diào)試等基本實驗內(nèi)容，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了無人機自主循線飛行綜合性實驗項目。

3.1 四旋翼無人機組裝與參數(shù)調(diào)試實驗

親手完成一架四旋翼無人機的組裝是掌握無人機硬件模塊組成及各模塊功能的最直接方式，根據(jù)實驗教程完成四旋翼無人機的組裝、調(diào)試、線路焊接和遙控器對碼等任務(wù)也是完成后續(xù)項目的基礎(chǔ)。在實驗課程開展過程中，一般4～5 人一個小組，逐步學(xué)習(xí)飛行原理、認識硬件模塊到完成無人機組裝。組裝完成后的無人機如圖6 所示。組裝完成后，由助教配合檢查接線是否正確及電機、漿葉安裝方向是否匹配等。確認無誤后進行上電測試，若LED 指示信號正常，表示安裝過程正確，隨后即可進行參數(shù)調(diào)試；否則就要進行故障檢查和排除工作。無人機參數(shù)調(diào)試是指利用上位機軟件來完成對控制器參數(shù)的調(diào)整。默認的PID 控制器參數(shù)一般可以滿足無人機的穩(wěn)定飛行，但是由于重心位置、飛行控制器安裝位置等因素的影響，每架無人機的飛行性能會有所不同，因此需要微調(diào)姿態(tài)內(nèi)環(huán)PID 參數(shù)。因為實驗平臺所配置的四旋翼無人機部件的重量和大小相同，所以外環(huán)控制器的PID 參數(shù)一般可以使用默認參數(shù)。

圖6 組裝完成的無人機實物圖

3.2 四旋翼無人機操控實驗

完成無人機的控制器參數(shù)調(diào)試后，各小組同學(xué)即可進行四旋翼無人機的操控實踐和訓(xùn)練。實驗平臺配置了天地飛ET07 型遙控器，最大支持10 通道，其中雙遙控共4 個通道控制無人機的俯仰、橫滾、航偏和油門，實現(xiàn)無人機的前、后、上、下飛行。SA 通道定義為自動起飛和一鍵降落控制；SB 通道定義為飛行模式切換，包括不定高、定高兩種；SC 通道定義為不定點、定點兩種位置模式。其中定高模式利用氣壓計或激光傳感器的反饋數(shù)據(jù)實現(xiàn)，定點模式由光流傳感器的反饋數(shù)據(jù)完成，自動飛行模式主要利用攝像頭或視覺里程計的反饋數(shù)據(jù)完成。

3.3 四旋翼無人機自主循線飛行實驗

在完成基本實驗任務(wù)的基礎(chǔ)上，為加深學(xué)生對無人機應(yīng)用功能的設(shè)計、程序?qū)崿F(xiàn)及任務(wù)調(diào)試的理解，開發(fā)了基于ROS 平臺的四旋翼無人機自主循線飛行綜合實驗。該實驗涉及到圖像處理、數(shù)據(jù)濾波與融合、ROS 程序開發(fā)等方面的知識。循線飛行實驗中，利用光流、激光、姿態(tài)傳感器進行數(shù)據(jù)融合得到無人機相對于地面的飛行速度，然后反饋到位置控制器，實現(xiàn)無人機懸停功能。機載計算機獲取地面標識線的圖像，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)得到無人機相對于圖像坐標系的坐標偏差值和航向角度值，如圖7 所示，這些坐標值通過串口通信反饋給飛行控制器，從而實現(xiàn)無人機的位置控制，重復(fù)執(zhí)行該過程即可實現(xiàn)無人機沿著地面標識線飛行。

圖7 無人機循線示意圖

4 結(jié)語

基于STM32 的四旋翼無人機綜合實驗教學(xué)平臺融合了自動化、電子信息、計算機等多門專業(yè)課知識。學(xué)生在此平臺上可以將課堂中所學(xué)專業(yè)知識運用到實踐中，在鞏固理論知識的同時，提高了動手實踐、創(chuàng)新意識和系統(tǒng)綜合設(shè)計能力。兩年來，利用該實驗教學(xué)平臺面向我校工科專業(yè)開設(shè)了“四旋翼無人機綜合實驗項目”開放課程，深受學(xué)生的歡迎，每學(xué)期的選課人數(shù)都超過限定人數(shù)。該實驗課程帶領(lǐng)學(xué)生進入了無人機應(yīng)用開發(fā)的大門，培養(yǎng)了他們的科研興趣，收獲了無人機相關(guān)的知識和開發(fā)經(jīng)驗。選修課程的部分學(xué)生先后參加了IMAV、中航工業(yè)杯、國際機器人挑戰(zhàn)賽等無人機相關(guān)的比賽，均取得了良好的成績。未來，將進一步對該綜合實驗教學(xué)平臺的功能進行開發(fā)，豐富綜合實驗任務(wù)設(shè)計，不斷滿足學(xué)生對四旋翼無人機相關(guān)技術(shù)學(xué)習(xí)的需求，提升選課學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力，在一流人才培養(yǎng)的過程中，建設(shè)實踐實驗教學(xué)課程體系中的“金課”。