基于互补融合算法的四旋翼飞行器软件设计

时间：2024-05-04

杨涛远，张凤登

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

基于互补融合算法的四旋翼飞行器软件设计

杨涛远，张凤登

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

四旋翼飞行器作为当今一种非常流行的飞行器，涉及多学科交叉技术以及各个领域。随着相关技术的发展，四旋翼飞行器变得更加小型化与智能化，应用领域也更广。通过研究飞行控制原理与姿态解算，对四旋翼飞行器进行了软件设计。硬件选用STM32F103C8T6作为主控制器，并以MPU6050作为惯性测量模块。软件设计中采用互补融合的控制算法估算六自由度飞行姿态，并采用PID算法进行整定和控制。通过这种姿态融合，可控制飞行器平稳起停和飞行，经实验室调试效果良好。

四旋翼飞行器；姿态解算；互补融合

0 引言

随着MEMS传感器技术、控制技术等电力电子技术的飞速发展，四旋翼飞行器的发展逐渐趋于微型化和小型化。四旋翼飞行器属于无人飞行器的一种，由于控制算法不断优化，其电路板设计得更加紧凑，在社会生产中的应用也越来越广泛[1]。

四旋翼飞行器基本结构比较简单，飞行控制系统由桨叶、无刷电机、机身轴翼部分组成。本设计选择F450机架作为设计的机身，安装在机体上的无刷直流电机为四旋翼飞机提供飞行升力，中心部位也即控制中心安装了控制系统的各个模块。

如今，四旋翼飞行器得到越来越多公司的关注，对四旋翼飞行器的实用化也得到更多科技领域的支持。虽然目前四旋翼飞行器的研究控制技术已较为成熟，但还存在许多困难需要解决，如飞行器的电池续航问题等。作为多领域交叉学科，对四旋翼飞行器研究的深入，将不断推进相关领域的研究。

1 研究现状与内容

1.1 研究现状

近年来，四旋翼飞行器的开发在高速微处理器的发展下获得了重大突破。由于四旋翼飞行器极为广阔的应用前景，诸多开发者对其进行了研究，以下介绍国内外几款较为成熟的四旋翼飞行器产品：

(1)AR Drone四旋翼飞行器。2010年，法国Parrot公司推出了一款微型四旋翼玩具AR Drone。作为一个科技含量较高的产品，它表现出的性能十分优异。此款飞行器操作简单，且其飞行控制系统中包含超声波测距传感器和摄像头，结合高性能微处理器进行姿态解算和飞行控制，稳定性较强。此款飞行器的流行使普通群众广泛接触到了新型四旋翼飞行器。

(2)宾夕法尼亚大学四旋翼飞行器。2012年，宾夕法尼亚大学的VijayKumar教授带领团队制作四旋翼飞机，掀起了四旋翼飞行器的研究热潮。在大会上，VijayKumar教授用大量公式简单推演了关于四旋翼飞行器的姿态控制。在演示中，四旋翼飞行器凭借着良好的控制策略完成了多种飞行姿态，这意味着飞行控制算法的逐渐成熟。

(3)大疆四旋翼飞行器。大疆创新科技有限公司是中国深圳的一家四旋翼飞机公司，它提供了较为成熟的四旋翼飞行器方案。大疆公司2013年推出的DJI Phantom使四旋翼飞机市场发生了巨大变化。其飞控系统不仅包括原来的姿态解算模块，而且为了实现精确定位定高的能力，飞控系统中还加入了图像处理模块和全球定位系统模块。同时在消费级市场上，为了满足用户需求，这款飞行器更是装载了自稳云台便于装载摄像机进行摄像。

1.2 研究内容

本设计是制作一个四旋翼飞行器的模型样机，然后根据样机进行飞行控制算法的研究。研究内容主要分为以下几部分：①四旋翼飞行器的总体控制方案；②系统软件设计：分为姿态解算部分与电机驱动部分，并运用PID控制算法调节稳定性；③系统调试。

其中，四旋翼飞行器中的姿态解算是最重要的组成部分，飞行控制器的自动控制实现是设计中的重点与难点。

2 控制系统设计

2.1 总体设计

本系统的控制软件采用基于STM32的C语言编写。本系统的软件设计主要是将遥控输入信号重新编码，然后对采集的数据进行数据融合，通过控制器使飞机保持稳定的姿态，最后控制电机[2]。系统框图如图1所示。遥控信号输入后与姿态解算出来的角度形成差值，然后经过PID控制器控制飞行姿态角，再通过PWM信号输出给电机，控制飞行器的飞行状态。

图1 飞行控制软件总设计

根据飞行器控制的总体设计思路，本设计的整体程序流程如图2所示。程序开始时，加载系统时钟。然后对各个模块进行初始化，其中有两个初始化非常重要：①MPU6050的初始化；②陀螺仪加速度计的零偏消除。根据每次采集到的遥控信号和姿态解算出来的角度进行最后的PID控制。

图2 总程序流程

2.2 姿态解算

姿态解算算法实现总框图如图3所示。本设计利用陀螺仪测量出的角速度值进行解算，但是由于角速度在积分过程中会产生漂移，所以本设计需要角速度计进行互补融合，得出实时四元数的值，然后通过实时四元数的值转换成欧拉角的角度值进行控制[3-4]。

图3 互补融合姿态解算实现框图

陀螺仪和加速度计由MPU6050获取。MPU6050内部集成了3个16位的ADC，能够将测量的模拟量转化为数字量输出，而且该模块是可编程模块，可以通过寄存器修改用户想要的效果。如图3所示，由于加速度计和陀螺仪存在零漂，所以每一次启动飞机后都要去除零漂。在启动前，加速度计和陀螺仪在稳定时先取2 000次值，针对这2 000次值求平均值，然后x、y、z轴减去相应的平均值，零漂则能被较好地消除。同时，加速度计容易受到机体震动影响，所以本设计使用加速度计时都需要对其进行均值滤波后才能使用。

2.3 电机控制

对于四旋翼飞行器的控制器设计采用的是传统的数字位置式PID控制器。数字位置式PID控制器如下[5,6]：

(1)

其中，uk是第k次采样的输入，ek是第k次偏差，ek-1是第k-1次偏差，Kp、Ki、Kd是PID控制器的比例、积分和微分参数。

图4 串级PID控制器

图4中PID采用位置式PID控制器，四旋翼飞行器会产生不良阻尼效应的最重要原因是角速度变化，所以在内环增加对角速度的增稳，会使四旋翼飞行器的飞行更具稳定性[7]。

本次设计采用无刷直流电机。该电机的优点在于无电刷和换向器，使得无刷直流电机的寿命远远大于普通的有刷电机。无刷形式的电机拥有较强的实用性，例如交流式鼠笼式异步电机，这种电机在早期电子技术不发达时使用广泛。但是随着晶体管的发展，人们开始越来越多采用晶体管开关电路实现电子调速，最终产生了采用晶体管代替电刷和换向器的无刷直流电机。

无刷直流电机具有以下特点：①调速性能更好，可以代替有刷直流电机；②没有电刷和换向器，同时兼具普通直流电机的特点；③在重量和体积较小的情况下继续保持大负载能力；④启动转矩大，同时启动电流小，体现了较高的转矩特性；⑤因为没有电刷和换向器，所以没有励磁损耗和碳刷损耗；⑥可靠、稳定、适应性强。图5为程序实现图。

图5 电机控制流程

3 实验结果

根据本设计测试姿态解算程序，发现在小机动情况下程序表现完好，但是在大机动情况下，尤其是飞机侧翻时程序完全失控。最终进行PID调试，如图6所示。PID调试采用单轴分别调试，将每根轴的欧拉角调试好，最后实现飞行。

图6 飞机调试

所以本设计将飞机固定在一根轴上让其只能在一个轴运动，则实现了单轴调试。

本设计采用PID试凑法进行参数整定。由于系统是位置式PID算法，所以采用闭合回路法进行整定，而且是串级PID整定法。因此，需先整定内环参数。

内环是角速度环，角速度要达到的效果是保持在一个角度上稳定不震荡，整定参数如表1所示。

表1 内环PID整定参数

外环是速度环，配合内环可以达到使整个过程平稳飞行的效果，整定参数过程如表2所示。

4 结语

四旋翼飞行器是一种需要高稳定控制算法的飞行器，在未来，无论是消费级还是军用级都有着良好的应用前景。四旋翼飞行器通过特殊的飞行控制算法实现了不同形式的飞行模式，虽然算法较为复杂，但在无人机领域发挥了重要作用。本设计通过算法设计、样机制作初步实现了四旋翼飞行器。设计飞行器的过程涉及多学科交叉技术，具有较强的理论与实际意义。本设计在过程中作了以下研究：①对四旋翼飞行器的飞行控制原理进行了剖析，初步理解了飞行控制的方式；②对控制信号、遥控信号的原理进行分析，在程序中实现对系统的输入；③本设计的重点在于姿态解算，最终完成对欧拉角的姿态解算。同时对于PID控制算法也有实际体验，对系统进行了大量的PID试凑，最终实现稳定飞行。

表2 外环PID整定参数

在设计中还存在以下不足之处：①未对系统进行建模或对飞机进行系统辨识，作为一个多输入与多输出系统，在PID调试中一味地靠试凑，而未根本地从系统分析出发，所以在调试中浪费了很多时间；②由于采用的算法受限，所以飞机不能进行大范围的机动飞行；③飞机受扰动较强。

此次设计之后，对四旋翼飞行器有了更深认识，对其未来有以下展望：①飞行器的自主飞行功能更强。随着传感器技术的不断进步，四旋翼飞行器将具有更强的环境适应能力；②多功能飞行。未来，四旋翼飞机能协助人们做更多事，如载货、探险等；③体积微型化。体积越来越小，可从事更多危险工作。

[1] 王淑华.MEMS传感器现状及应用[J].微纳电子技术,2011,48(8):516-522.

[2] KILLAN.Modern control technology:components and systems[M].American:wiley,1996:335-337.

[3] 孙丽.捷联惯导系统姿态算法比较[J].中国惯性技术学报,2006,14(3):6-10.

[4] 秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社,2006:12-70.

[5] 秦永元.捷联式惯性导航系统[M].北京:国防工业出版社,1992:20-120.

[6] 陆伟男.基于四旋翼飞行器的双闭环PID控制[J].科学技术与工程,2014,14(33):128-130.

[7] 冯庆端,裴海龙.串级PID控制在无人机姿态控制的应用[J].微计算机信息,2009(22):9-10,45.

(责任编辑：黄健)

上海市自然科学基金项目(15ZR1429300)