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四旋翼无人直升机论文摘要四旋翼飞机由于其结构复杂、操纵性差等缺点导致其研究进展较为缓慢。近些年来，随着新型材料、微机电（MEMS）、微惯导（MIMU）技术和飞行控制理论的发展，四旋翼无人直升机获得了越来越多地关注。四旋翼无人直升机在军事和民用领域具有广阔的应用前景，可用来环境监视、情报搜集、高层建筑实时监控、协助和救助、电影拍摄和气象调查等；它还是火星探测无人飞行器的重要的研究方向之一。本文针对小型四旋翼无人直升机，以TMS320F28335为核心，设计了四旋翼无人直升机控制器的软硬件系统，实现了近地环境下的姿态控制。首先，根据设计目标对控制系统总体结构、软硬件整体进行设计。按功能将控制系统划分成机体平台、控制器模块、传感器模块、电源模块、数据处理模块和通讯模块六个独立的模块。为了克服A/D转换存在的偏差和高频噪声问题，本文设计了软件矫正算法数字低通滤波器，减少了A/D偏差，降低了高频噪声。姿态控制是飞行控制的核心问题，四旋翼无人直升机的结构特殊性决定了其控制器设计的特殊性：四旋翼无人直升机通过四个螺旋桨实现对六个被控量的控制，是一个欠驱动系统。本文建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型，设计了PID控制器进行姿态控制。仿真和实际系统控制结果表明，该PID控制器可以得到较好的姿态控制效果，验证了控制系统设计的有效性。关键词：四旋翼无人直升机，控制器，捷联惯导，DSP一、绪论1.1引言与固定翼飞机相比，旋翼机具有垂直起降的能力。四旋翼直升机是一种外形独特的旋翼机，国外对四旋翼飞机有多种叫法，如four-rotor、Quardrotor、X4-Flyer、4rotorshelicopter等等。由于结构的对称性，四旋翼直升机在操纵性和机械机构方面具有很多潜在的优势。如图1.1所示，旋翼1、3顺时针旋转，旋翼2、4逆时针旋转，旋翼的扭矩会自动平衡。而传统直升机必须加一个尾翼用来平衡旋翼扭矩，这个尾翼对向上的推力无帮助作用，浪费了能量。另外，由于四旋翼机的旋翼更小，转速更高，因而其效率更高；小旋翼也可以减少旋翼碰撞周围建筑物的概率，飞行更加安全。图1.1四旋翼直升机飞行原理示意图1.2四旋翼直升机工作原理四旋翼直升机有4个控制输入量，分别为四个旋翼的转速；6个输出量，分别为飞机位置量（x、y、z）和姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)。四旋翼直升机通过调节对角线上旋翼的转速来改变姿态：图1.1中，1、3旋翼的推力不同会改变四旋翼直升机的俯仰角，同时在机体X方向产生一个加速度。由于对称性，在机体Y方向也会产生相似的作用。四旋翼直升机改变对角旋翼的转速大小，同时往相反方向改变另外一对旋翼的转速的大小，两对旋翼间扭矩便不再平衡，从而航向角改变。二、总体设计2.1设计目标目前，国内外有很多四旋翼无人直升机模型的生产厂家，从购买渠道和方便维护考虑，选用的机体平台是国产的华科尔UFO4型遥控四旋翼直升机（图2.1）。直升机的主要参数见表2.1图2.1华科尔UFO4四旋翼无人直升机表2.1华科尔UFO4四旋翼无人直升机主要参数机体参数参数大小机体参数参数大小旋翼半径198mm遥控器WK-0701机体长/宽470mm陀螺仪3D驱动系统（电机）1225FE重量（含电池）225g接收器4-in-1电池11.1V-Li本文的主要内容是设计小型四旋翼飞行器的控制系统，实现小型四旋翼无人直升机在近地环境下的姿态控制。其中，飞行高度在5米之内，四旋翼无人直升机的俯仰角和滚转角控制范围是30度，航向角的控制范围是0到360度。2.2控制系统结构设计小型四旋翼无人机控制系统包括硬件和软件两部分。控制系统主要实现的功能为：信息采集与检测、数据传输和系统控制等。2.2.1硬件总体设计如图2.2所示，四旋翼无人机硬件包括以下几个部分：机体平台（包含推进组）、控制器模块、传感器模块、电源模块、数据处理模块和通讯模块。各部分主要功能介绍如下。数据处理模块电源模块通讯模块控制器传感器模块机体平台信息信息信息供电供电推进组信息供电图2.2四旋翼无人机硬件结构图（1）机体平台是其他所有模块的载体。除了机架之外，还包括电机、减速齿轮和螺旋桨组成的推进组。（2）控制器是系统的核心器件，起到协调和控制其他各模块的作用。它不断和数据处理模块交换信息：获取系统控制所需的信息，发出控制指令。（3）传感器模块为系统提供四旋翼无人机的各种运动信息或姿态信息，是导航系统的重要组成部分。（4）通讯模块是控制系统与其他设备通讯的途径。控制器可以通过此模块发送机体的各种状态信息，接收控制指令或者导航信息。（5）数据处理模块处于整个系统的中心位置，在控制器干预下(或自动)完成数据的转换，信息的提取，参数的解算等功能。（6）电源模块为以上各模块提供能量，保证硬件平台的正常工作。2.2.2软件总体设计为了减少软件错误、提高可靠性，按照低耦合、高内聚的原则将软件子系统划分成如图2.3所示的六个模块。系统初始化模块传感器数据采集模块数据处理模块导航模块控制模块无线通信模块图2.3四旋翼无人机软件结构图软件系统各模块的主要功能介绍如下：（1）系统初始化模块：包含软件系统初始化和硬件系统初始化两部分。（2）传感器数据采集模块：主要功能是获取传感器发送的有效数据。正确设置相关外设，使系统传感器可以持续、正常的运行。（3）数据处理模块：起到各模块的衔接作用，例如A/D采样的滤波、字符串与整形和浮点型之间的互换、数字罗盘的信息提取等等。（4）导航模块：通过导航算法，将传感器数据转化为导航数据，为控制器提供系统控制所需的位姿信息。（5）控制模块：控制器的软件核心，包含控制系统主要算法。（6）无线通讯模块：负责控制系统和上位机或其他设备的通信。2.3控制系统功能设计2.3.1导航系统姿态控制是现阶段四旋翼无人机的研究重点，也是开展进一步研究工作的前提。控制器必须能够获取足够的姿态信息，导航系统可以为控制器提供有效的位姿参考。最常用的导航方法是惯性导航，该算法所需要的信息量包括载体三个轴向的加速度和三个轴向的角速度。因此，需要相应的惯性检测单元（IMU）来测量这些信息。因为是模拟器件，所以惯性传感器的选型主要关注的指标是精度和线性度。惯性导航系统由于误差积累等原因会随着时间而发散，因此需要更精准的平台进行校正，可以选用数字罗盘定时校正惯导系统。虽然高度控制不是本文的重点，但是要想离地飞行，控制器必须有高度信息。在系统开发的初始阶段，离地高度并不大，精度在厘米级便可满足要求，可以使用超声传感器来测量直升机离地高度。2.3.2控制算法姿态控制是当前世界上四旋翼无人直升机的一个研究热点，各国的学者都设计了不同的控制器对四旋翼无人机的姿态进行控制。一般情况下，在设计控制器之前了解系统的模型信息或系统的主要特性，即对四旋翼无人直升机系统进行建模。建立系统模型之后，还必须知道系统模型的各个参数的大小，涉及模型的参数辨识问题。当以上工作完成之后可以搭建软件仿真平台，设计控制算法。控制算法可选用文献中使用最多的PID控制，通过设计不同的控制参数给出姿态控制效果。2.3.3通信系统四旋翼无人直升机采用有线的数据通信不能满足需求，所以选用无线作为系统的通讯方式。无线通信有两个重要的指标，就是传输距离和传输速度。现阶段的设计和测试都在实验室中进行，因此传输距离并不太远，几百米之内便可满足要求。关于传输速率的选择，由于目前设计中传输内容只是简单的状态信息或者控制命令，并不涉及到视频或者音频的实时传输，所以并不需要很高的波特率就可以实现。选用UART格式的通信模块就可满足要求。如果系统需要更高的传输速率，可以使用无线局域网作为通信系统。为了方便扩展，系统设计时须留有相应的扩展接口。2.3.4电源系统电池为整个系统提供能量，是系统的动力来源。锂电池因为容量大、重量轻等优点而被广泛应用。为了给系统提供足够的能量，选用华科尔四旋翼无人机模型自带的800mA/h锂电池为整个系统供电。实际系统各部分对供电的要求并不相同，因此设计相应的电压转换电路，以满足系统各部分对供电的不同需求。2.3.5控制器选型随着芯片技术的发展，单片CPU的处理速度和处理能力正在逐渐增强，其中德州仪器（TI）的DSP正在越来越多地应用与各个领域。尤其是F28XXX系列的DSP非常适合运动控制，它含有丰富的外设、几十种中断响应、脉宽输出、光电编码接口、多种通信接口等等。因此本文选用DSP作为核心控制器。另外DSP含有上百KB的片上FLASH，一般规模的控制程序都可以写进FLASH而不需要内存扩展。为了简化系统，数据处理模块也由DSP来承担，而不单独使用其他的芯片实现。由以上内容可知，四旋翼无人机控制器的硬件部分包含以下器件：（1）DSP最小系统（2）惯性测量单元(IMU)（3）数字罗盘（4）无线通讯模块（5）电源模块（6）执行机构（7）超声波传感器硬件系统各部分的组成如下图所示。DSPTMSF28335控制器IMUAD转换超声传感器GPIOCAP1捕捉口电机组PWM11V5V电源模块数字罗盘SCIA无线通信模块SCIBJTAG时钟、复位电路图2.4控制系统硬件组成2.4小结本章介绍控制了系统总体设计。首先将控制系统分成软件和硬件两部分，简要介绍了各个部分的组成和功能。接下来，分别介绍了导航系统、控制算法、通信系统的设计思路和部分硬件器材的选型准则。最后给出了控制器硬件结构，为论文的以后各章内容起到指导作用。