四旋翼飞行器控制系统设计

摘要：本文基于四旋翼飞行器的工作原理和性能特点，给出了飞行器控制系统设计方案，进行了姿态和高度数据采集的软件设计，并基于卡尔曼滤波算法完成了传感器数据融合，设计了PID控制器并完成了软件实现。实验结果表明，该控制系统能够稳定可靠运行，具有较强的鲁棒性。

引言

　　四旋翼飞行器是一种具有6个自由度和4个控制输入的系统，能进行垂直起降、悬停、前飞、侧飞和倒飞等运动。其与直升机不同之处在于它通过4个旋翼产生可以相互抵消的反扭力矩，因而不需要专门的反扭矩桨。被广泛应用于无人侦察、森林防火、灾情监测、城市巡逻等领域。并且随着目前发展状况，四旋翼飞行器主要优点有： (1)拥有简单的机械结构; (2)飞行姿态稳定。同时飞行控制系统通过传感器采集飞行姿态数据，实时监测和控制飞行姿态，可以使飞行器保持平稳飞行。相比传统单旋翼直升飞机，四旋翼飞行器的飞行更为稳定。

1 系统硬件结构

1.1 飞行器的原理以及机械结构

　　四旋翼飞行器的基本结构如图1所示，四旋翼飞行器的4只旋翼安装于十字形机体的4个顶点位置，分为顺时针旋转(1、3) 和逆时针旋转 (2、4)2组，当4只旋翼转速相等时，相互间抵消反扭力矩;同时增加或减小4只旋翼的转速可实现上升或下降运动;当1号与3号旋翼转速增加(减小)，2号和4号转速不变，飞行器实现偏航;当1号和3号旋翼转速固定，2号旋翼转速增加(减小)，4号旋翼转速减小(增加)，飞行器实现向左(向右)飞行;当2号和4号旋翼转速固定，1号旋翼转速增加(减小)，3号旋翼转速减小(增加)，飞行器实现后退(前进)飞行。

1.2 硬件平台整体设计方案

　　硬件的选择对控制系统的性能有很重要的影响，一个良好的硬件搭配会极大地提高控制系统的安全性、稳定性和准确性等各项性能指标。

　　如图2所示为本次研究所用飞行器的实际构造框图。由上位机或遥控手柄接受指令，控制芯片通过超声波模块获取高度信息，再通过MPU6050获取姿态信息以及加速度信息，经过数字PID控制器计算得到控制量，再经过控制芯片处理，向电调发出对应于控制量的PWM波，改变电机的转速。

1.2.1 I²C总线

　　对MPU6050的控制与数据的读写主要通过I²C总线形式。I²C构造简单，仅需要两根线(SCL时钟控制线，SDA数据传输线)即可实现对芯片的控制与数据读取，并且每个芯片都有其独立的识别地址。在本实验中，因为只有一个MPU6050，且只有它使用的是I²C总线，因此，只需要设置其工作在从发送模式即可。

　　对于STM32F103RBT6单片机而言，其硬件I²C接口极不稳定，容易发生数据错误和陷入死循环中，导致程序崩溃跑飞。因此，本实验通过设置普通GPIO接口进行模拟I²C与MPU6050进行通讯。

1.2.2 对飞行器整体的控制

　　对飞行器的控制主要有三个部分。首先是对无刷直流电机的控制，在这里主要表现为PWM波的产生与调节。另一部分是对惯导系统信息的采集与读取，以及高度信息的获取。最后一部分就是如何处理上位机与遥控手柄发来的指令，即控制流程如何实现。

2 控制系统的软件设计

2.1 对无刷直流电机的控制

　　对无刷直流电机的控制主要有两个方面，一方面是通过PID算法得到控制量，另一方面是根据控制量输出相应的PWM波。

　　另外，在对无刷电机的驱动问题上，经过实际调试发现，首先需要对电调输入最高电压，电调对PWM信号的识别需要一段时间，之后再对电调输入最低电平才能实现PWM波调节范围的设定。

2.1.1 基于PID控制器的PWM波控制量的计算

　　实际上，信号的传递并不一定是连续的，比如在本实验中，信号的读取是根据控制定时器决定读取数据时间间隔的。因此，本设计为数字式PID控制器。

　　在实际编程中，使用离散型PID控制算法实现，具体表达式经简化表示为：

　　其中AUK为输出的控制量，KP、KI和KD为PID的三个参量，但需实际飞行时进行调整。EK为设定值与本次采样值的差值;EK_1为设定值与上一次采样值的差值;EK_2为再上一次的设定值与采样值的差值。

　　图3所示为具体程序流程框图。其中针对不同的PID控制器，如俯仰PID控制器与横滚PID控制器的不同点仅在于“控制量输出”部分。从控制量到电机输入电压的转化这一部分涉及到控制量的分配问题。因为针对每一个控制信号，以“phi_ctrl_in(横滚控制输入)”为例，横滚角的控制量与2号电机和4号电机的输入电压相关，即该控制量的大小会改变两个电机的输入电压的大小。因此，一个控制量的改变会影响整个飞行器的飞行姿态，经过反馈后，会带动其他控制回环进行控制。即这四个控制量之间的耦合性很高。因此，在这里进行控制量分配。

　　经过反复调试后，得到一组最理想的PID参数。横滚角phi控制器PID参数为：Kp=0.15，Ki=0，Kd=0.02;

　　俯仰角theta控制器参数： Kp=0.2，Ki=0，Kd=0.03;

　　偏航角psi控制器参数：Kp=1.1，Ki=0，Kd=0.4;

　　高度height控制器参数：Kp=6，Ki=0.2，Kd=2;

　　x轴方向加速度PID控制器参数：Kp=7，Ki=1.0，Kd=0;

　　y轴方向加速度PID控制器参数：Kp=6，Ki=1.0，Kd=0。

2.1.2 PWM波调速

　　本实验所用四旋翼飞行器硬件平台采用无刷直流电机，使用电子调速器作为驱动模块。控制的核心方法为向电调发出PWM波，通过控制PWM输出的占空比来改变电机的控制电压，实现对电机转速的控制。PWM波通过主控芯片产生。本文使用的主控芯片为STM32F103RBT6，它通过配置定时器工作在PWM模式下，对于通用的定时器，可以独立地同时发出四路PWM波，完全可以满足本实验的要求。

　　硬件实现上，使用定时器4输出四路PWM波信号。使定时器4工作在复用模式下，对应的外部端口为：PB6、PB7、PB8和PB9，他们分别连接1号、2号、3号和4号电机的信号控制线。

　　在对定时器4的配置上，首先打开定时器4的时钟RCC_APB1Periph_TIM4，以及对应PB端口的时钟RCC_APB2Periph_GPIOB。因为定时器4为通用定时器，可进行16位自动重装载计数。使用的是单片机的固定频率72M的时钟信号，但可以通过改变预分频寄存器里的值，改变计数时钟频率。本实验中设定为72-1;设置波形周期TIM_Period计数上限为2000，为向上计数模式。配置TIM_OCMode为PWM1模式(即TIM脉冲宽度调制模式1)，使能四个比较通道。之后配置输出端口，将端口设置为50MHz复用推挽输出。最后打开使能定时周期TIM_Cmd(TIM4, ENABLE)即可开始工作。通过比较TIM_Period中的值与寄存器TIM4_CCRx中的值可以输出不同占空比的波形。

　　经过实际实验发现，只有当设定值为1050以上时，电调才能识别出电压信号，即只有当占空比大于50%时，电调才会认可输出PWM波信号。因此，对电机的占空比调节范围为：1050/2000~2000/2000;当设定值为1050时，电机刚开始旋转，当设定值为2000时，电机达到最高转速。为了防止TIM4_CCRx中的值超过计数上限，也为了控制电机的最高转速，在向TIM4_CCRx写入转速控制变量前进行限幅滤波，使其写入值始终在可靠范围内。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第9期第48页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。