向常青

摘 要：以TI公司基于ARM的32位微控制器TM4C123G為控制核心，設(shè)計了一款四軸飛行器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對四軸飛行器的姿態(tài)控制。介紹了飛控系統(tǒng)硬、軟件的設(shè)計方法，利用Matlab仿真工具設(shè)計了PID控制器，實現(xiàn)了四軸飛行器的平穩(wěn)飛行和遠程遙控。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器；飛行控制系統(tǒng)；PID控制器；姿態(tài)解析

中圖分類號：TN710 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.077

近年來，四軸飛行器受到了科研人員的廣泛關(guān)注。由于四軸飛行器具有垂直起降、可攜帶遠程設(shè)備、控制靈活等優(yōu)點，目前已被廣泛應(yīng)用于影視航拍、安防消防、農(nóng)業(yè)植保、電力巡線等領(lǐng)域。

本研究在當(dāng)前四軸飛行器控制理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上，選用德州儀器公司基于ARM的32位TM4C123G系列微處理器、三軸陀螺儀MPU6050等傳感器設(shè)計了硬件系統(tǒng)，利用MATLAB設(shè)計了模糊PID控制器，并在此基礎(chǔ)上搭建了硬件實驗平臺，最終實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

1 四軸飛行器的工作原理

四軸飛行器使用4個獨立的無刷電機作為系統(tǒng)的動力系統(tǒng)。4個電機分別安裝在十字機架的4個頂端位置。通過控制4個電機的轉(zhuǎn)速，就能控制四軸飛行器的飛行姿態(tài)。四軸飛行器的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2 四軸飛行器控制系統(tǒng)的總體框架

四軸飛行器的飛行控制系統(tǒng)由姿態(tài)傳感器、微控制器、電子調(diào)速器和電源四大部分組成。其中，姿態(tài)傳感器用來測量四軸飛行器飛行時的姿態(tài)數(shù)據(jù)；微控制器負責(zé)對這些數(shù)據(jù)、內(nèi)置狀態(tài)和遙控器指令進行綜合處理，然后輸出4路PWM信號控制電子調(diào)速器，以改變電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)預(yù)期的飛行姿態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

四軸飛行器控制系統(tǒng)以德州儀器公司基于Cortex-M4內(nèi)核的TM4C123G為主控制器。該控制器主頻高達80 MHz，具備DMA單元，有多達24路的PWM輸出和12位高精度ADC，主要負責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理。姿態(tài)解算算法、PID算法和遙控信號的解碼用來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)命令?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 姿態(tài)傳感器模塊

四軸飛行器的飛行姿態(tài)可以用6個物理量表示，即三維坐標(biāo)中的3個位置量和沿3個軸的姿態(tài)量，稱為六自由度。陀螺儀的作用是測量四旋翼飛行器的角速率，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要，陀螺儀選型的依據(jù)是精度和穩(wěn)定性。三軸數(shù)字輸出陀螺儀L3G4200D是意法（ST）半導(dǎo)體公司推出的一款MEMS運動傳感器，可選擇-250～250 dps、-500～500 dps、-2 000～2 000 dps三種全量程。該傳感器采用I2C和SPI接口輸出，可以精確地采集四旋翼飛行器3個方向的角速率和線加速度數(shù)據(jù)。由于導(dǎo)航參數(shù)會隨傳感器的測量誤差積累而發(fā)散，在慣性導(dǎo)航算法中，不能長時間自主飛行，因此，選用霍尼韋爾公司的三軸式數(shù)字羅盤HMC5883校準(zhǔn)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)。HMC5883采用I2C通信協(xié)議，無需額外的轉(zhuǎn)換電路即可與STM32的硬件I2C接口通信。

3.2 無線通信模塊

無線通信模塊是四軸飛行器與遙控器的通信紐帶。本研究要求無線傳輸距離小于100 m，利用nRF24L01+進行無線通信。nRF24L01+是一款工作頻率在2.4～2.5 GHz之間、世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其通過SPI接口與MCU連接，速率為0～8 Mbps，支持2 Mbps、1 Mbps和250 kbps的傳輸速率，支持自動應(yīng)答、自動重發(fā)、內(nèi)置地址和CRC數(shù)據(jù)校驗?zāi)９δ埽沂褂梅奖?，?00 m之內(nèi)傳輸穩(wěn)定、可靠，最終可實現(xiàn)遙控裝置與飛行控制器之間的通信。

3.3 電機驅(qū)動模塊

本研究采用電調(diào)控制無刷電機。通過TM4C123G輸出4路PWM信號控制電調(diào)，對電機轉(zhuǎn)速進行調(diào)整，從而控制飛行姿態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

四軸飛行器是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，具有4輸入6輸出，其對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計使四軸在對俯仰角和橫滾角的控制上有著幾乎相同的控制特性，且兩者相對獨立。四軸飛行器的俯仰、橫滾、偏航、升降可以通過4個輸入量來控制。飛行控制系統(tǒng)微處理器主要負責(zé)各個模塊的初始化、系統(tǒng)自檢、傳感器數(shù)據(jù)解算、遙控信息解算、控制算法執(zhí)行和控制量輸出等。通過信號量和消息隊列，實現(xiàn)了各任務(wù)間數(shù)據(jù)的相互交換和同步。

5 結(jié)束語

本文利用Matlab設(shè)計了PID控制器，并給出了基于TM4C123G微控制器的四軸飛行器控制系統(tǒng)的硬、軟件設(shè)計方案。通過實際搭建硬件測試平臺，實現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。

參考文獻

[1]聶博文.四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)[J].電光與控制，2007（6）.

[2]朱君.四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計及控制方法研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2012.

[3]孫怡.基于模糊PID控制的多電機同步控制[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.

[4]李俊，李運堂.四旋翼飛行器的動力學(xué)建模與PID控制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2012（1）.

[5]黃溪流.一四旋翼無人直升機飛行控制器的設(shè)計[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[6]齊書浩.四旋翼飛行器總體設(shè)計及其運動控制[D].上海：上海交通大學(xué)，2013.

〔編輯：王霞〕