湖北工业大学 湖北省武汉市 430068
摘要：随着科学技术的发展，我国的四旋翼无人机技术有了很大进展。四旋翼无人机是一种性能优越的垂直起降无人飞行器，能够实现悬停、低速飞行、垂直起降等功能，在军事和民用方面具有重要价值；针对四旋翼无人机的控制系统设计问题，首先分析介绍了四旋翼无人机飞行原理，对其建立动力学模型和运动学模型，然后进行了基于PID控制的控制系统设计，在进行无人机控制系统仿真实现；能够有效地实现四旋翼无人机的姿态控制、轨迹控制，具有良好的控制精度与响应速度。
关键词：四旋翼无人机；系统建模；控制系统设计
引言
四旋翼无人机飞行控制问题的难点，主要有以下3个方面：1）建立机体准确的动力学模型非常困难，飞行过程中，系统会同时受到多种干扰的影响（如风、地磁和机械的剧烈振动等），因此，精确有效的动力学模型很难建立；2）飞行器控制系统的设计非常困难，小型四旋翼无人直升机具有6个自由度，而只有4个输入量的欠驱动系统，具有不稳定、欠驱动、强耦合、非线性等特性，因此加大了控制系统的设计难度；3）将飞行器姿态信息作为状态反馈量从而实现自主飞行控制是非常困难的。能否成功解决这3个问题，是实现小型四旋翼无人机自主飞行控制的关键。本系统以STM32F103C8为主控芯片，通过无线射频模块nRF2401向主控芯片发送起飞、悬停及降落等命令，当其收到命令后，主控芯片通过提取HC-SR04和MPU-6050的信号，利用四元数姿态解算法得出飞行器当前的状态。
1飞行原理
四旋翼无人机是一个具有强耦合特性的被控对象，一个旋翼的转速改变将引起最少3个方向上的运动。当按照不同的策略对旋翼电机转速进行调节时，机身的受力平衡会被打破，使得无人机姿态改变，进而产生相应的运动。四旋翼无人机在空间中具备的4种基本运动状态。1）垂向运动：同时增加4个电机的输出功率，旋翼转速增加，总升力增大，四旋翼无人机便离地垂直上升；反之，同时减小4个电机的输出功率，四旋翼无人机则垂直下降，直至平稳落地，实现了无人机的垂直运动。当外界扰动量为零，且旋翼产生的升力等于无人机的自重时，无人机便保持悬停状态。2）纵向运动和横向运动：实现无人机在水平面内纵向或者横向的运动，需要首先改变无人机的飞行姿态。增大无人机俯仰角，机体前倾，能够导致无人机的纵向运动。无人机首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼升力产生水平分量，因此实现无人机的纵向前飞运动。由于四旋翼无人机结构对称，所以横向运动的工作原理与纵向运动完全一样。3）偏航运动：四旋翼无人机的水平转动被称之为偏航运动，偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩。
2系统构成
（1）APM飞行控制模块。APM控制器是一个开源的飞控系统，能够支持固定翼无人机，3轴，4轴，6轴无人机，主要结构包括飞控主芯片At－mega1280/2560，PPM解码芯片Atmega168/328负责监视模式通道的pwm信号监测，以便在手动模式和其他模式之间进行切换。同时APM飞控机可扩展接入无线电台、GPS导航仪，带有I2C总线接口。（2）电机驱动模块。选用直流电机作为旋翼驱动电机，通过调整电机转速而改变旋翼升力。直流电机型号为新西达a2212-13KV980，外形尺寸27.8*27mm，重量48g，输出轴径3mm，额定参数11V，13.1A，7630r/m，推力780g。（3）通信接收器。对本无人机设计采用两种无线通讯模式，分别是使用遥控器控制和使用数传电台进行遥控遥测。地面测控系统在上位机中使用APM任务规划器监控无人机。（4）导航模块。四旋翼无人机的导航模块包括GPS、磁航向计、惯性测量单元。惯性测量单元指陀螺仪和三轴加速度计，可配合三轴磁力计或GPS测得方向数据进行校正，计算出飞机姿态。
APM集成的惯性测量系统为六轴数字传感器MPU6000、磁航向计为霍尼韦尔的HMC5843/5883，空速计为MPXV7002模块空速计，GPS导航模块选用Lea-6h，测量飞机当前的经纬度，高度，地速等信息。
3控制系统硬件设计
（1）主控芯片STM32F103C8。STM32F103C8是基于32位ARMCotex-M3内核，最高主频率72MHZ，具有高达90DMips、1.25DMips/MHz的处理能力，Cotex-M3内核采用哈佛结构及流水线技术，很大限度上提高了控制器的运算能力，能够满足该控制系统复杂而快速的计算要求。（2）无线通信模块nRF2401。该模块是集收发一体的无线通信模块，工作在2.4~2.5GHz频段，具有高达2M的数据传输速率，在功率放大器的配合下，可以达到100m的传输距离，满足设计要求。（3）超声波测距模块HC-SR04。HC-SR04是可测量2cm~400cm范围的非接触式测距模块，包括超声波发射器、接收器及控制电路。工作时，通过给TRIG引脚大于10us的高电平，触发模块开始工作，自动发送8个40KHz的方波，并检测是否有返回信号，若有信号返回，则通过ECHO引脚发出一个高电平，高电平引脚持续的时间就是超声波信号从发射到返回接受的时间，则测量距离=（时间*声速）/2。（4）运动检测模块MPU-6050。MPU-6050是集3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计及1个可扩展的数字运动处理器的运动控制传感器，具有I2C和SPI两种接口形式，可以满足多方面的需要。
4控制系统仿真实现
4.1参数整定
位置控制回路中，RATE_RLL_P和RATE_PIT_P分别是x轴和y轴的比例系数，默认值是0.14。根据飞机重量和动力的不同，这两个参数将会发生一些变化。在调试过程中，飞机剧烈震荡，降低这两个比例系数将会有非常明显的效果，但如果比例系数过小，会使得响应过程变的十分缓慢。微分时间RATE_RLL_D和RATE_PIT_D的初始值为0.0025，微分环节可减小系统超调量，提升响应速度。
4.2主程序设计
通过对飞行器进行起飞、悬停及降落三个动作的飞行来验证所设计控制系统的可靠性。在给系统上电后，首先进行主控芯片GPIO、无线通信模块、电机及测量模块等的初始化，然后发送起飞命令，使飞行器飞行到3m高处悬停大约10s，最后降落地面。
4.3姿态控制仿真
无人机系统能够快速响应并且较好地跟踪给定姿态角φｄ，且响应无超调，满足性能要求。同时无人机的俯仰角和偏航角保持稳定，一直输出为0，说明所设计的控制器较好的抑制了耦合问题，滚转角输入没有对俯仰角和偏航角造成影响。仿真结果表明，对于四旋翼无人机系统的模型，利用经典PID控制方法来设计控制器可以实现无人机的姿态控制。
结语
综上所述，四旋翼无人机在军事和民用方面都有广阔的应用前景。本文首先分析了四旋翼无人机飞行原理，然后分析了系统构成以及控制系统硬件设计，传感器标定，控制参数整定等内容，最后论述了控制系统仿真实现。
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