基于PID控制的X模式四旋翼飞行器研究

2014-09-26黄军友

电子设计工程 2014年2期

黄军友

（四川信息职业技术学院四川广元 628000）

X模式四旋翼飞行器具有载荷轻、体积小、自主飞行、控制复杂等特点，基于PID控制的X模式四旋翼飞行器，飞行控制的系统硬件设计的总体要求选择低功耗电子设备、高性能遥控接收设备、高速微处理器、良好的可扩展性、强抗干扰性等。可靠性、可行性、先进性、实时性和高集成度是具体的方案设计过程中应该重点考虑。

1 硬件设计

X模式该模式以两根轴的正中间为前进方向，调节迅速，由两个电动机共同完成一个轴的控制，前进方向为电动机1和电动机2中间的方向，如图1所示。

图1 X模式四旋翼飞行器的电动机与桨的关系Fig.1 Relationship between motor and propeller X mode Quadrotor Helicopter

飞行控制板是整个系统的核心，包括电源接口电路、遥控接收电路、姿态检测传感器电路、PWM信号输出电路、编程接口电路、信号指示电路等。采用ST公司基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6的32位ARM芯片，外设有定时器、ADC、SPI、I2C、 USART 和 USB 等[1]。电子调速器（ESC）采用好盈电调产品，遥控采用2.4G天地飞-7遥控器。

1.1 电源接口电路

电源接口电路是采用5 V转3.3 V的三端稳压芯片LM1117，由于飞行控制板体积比较小所以采用了SOT-223的封装。下图中的C20与C17均为退耦电容，大小为0.1 μF，C18为钽电容起稳压的作用，大小为47 μF，如图2所示。

图2 电源接口电路Fig.2 Power interface circuit

1.2 姿态检测传感器电路

姿态传感器包括陀螺仪传感器、加速度计传感器。陀螺仪传感器选择村田公司的ENC-03RC，测量范围为-300度每秒～+300度每秒，输出0～3.3 V的模拟信号，在未测量到角速度信号时输出的电压为1.35 V。加速度计传感器选择飞思卡尔公司的MMA7361三轴的模拟加速度计传感器，可以工作在±1.5 G和±6 G两种状态，工作在±1.5 G模式时为800 mV/g。加速度计传感器电路如图 3，C15、C16、C17分别为 Z、Y、X 轴的滤波电容，大小为3 300 pF。

图3 加速度计传感器电路Fig.3 The accelerometer sensor circuit

单轴陀螺仪传感器的电路如图4，C1滤除电源中高频信号部分，C2防止电源不稳造成的角速度输出不稳，C3保证基准电压的稳定，R1和C4构成一个低通滤波器，FC≈1.4 K。

图4 单轴陀螺仪传感器电路Fig.4 Single axis gyroscope sensor circuit

2 软件部份

四旋翼飞行器具有6个空间自由度，同时只能通过调节4个螺旋桨的转速来实现飞行控制，属于欠驱动系统的一种。系统具有高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等特点[2]。

2.1 姿态解算分析

维纳滤波器需要太大的内存开销、及大量的运算[3]；卡尔曼滤波需要得到实际物体的准确模型，单片机需要处理的运算量太大、严重降低了实时性[4]。结合实际系统的处理器配置采用互补滤波算法，互补滤波器能融合加速度计传感器和陀螺仪传感器二者的数值，最后通过滤波器得到一个较精确的姿态角、和互补算法的计算量较小又不需要精确模型的这些优点后、对卡尔曼进行简单的解耦。互补滤波算法简述如下：第一件是即时融合，就是实时地根据加速度计的数值反推出陀螺仪积分应有的数值，然后根据当前的陀螺仪积分进行调整。第二件是长期融合，在代码里用0.5秒的时间采集加速度计的数据，然后到0.5秒时对这些数据进行平均，依此来得到一个相对稳定的加速度计数值。根据这个数值来相对准确地知道四轴这0.5秒的姿态，然后再修整调整量，做到自动稳定到平衡位置。第三件是根据调整量的大小，决定是否需要修改陀螺仪中立点。

2.2 PID控制

PID控制简单的说就是按偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）、微分（Derivative）进行的控制[5]。 PID 控制器的控制算法为：

上式中 u（t）是 PID 控制器的输出，e（t）是 PID 控制器的输入，Ji是积分时间常数，Td是微分时间常数。

2.3 程序流程

整个平衡控制程序利用C语言和汇编语言完成，即混合编程。程序流程如图5所示。

图5 程序流程图Fig.5 Program flow diagram

3 互补滤波器滤波仿真

图6 姿态解算滤波仿真图Fig.6 Attitude solution filter simulation diagram

图6（a）是在阶跃干扰时通过滤波器得到的一个滤波波形，图中1为陀螺仪传感器数值波形、2为加速度传感器数值波形、3实线为最终的滤波效果波形。表明此滤波器对阶跃干扰具有良好的抑制作用。图6（b）是在左右摇晃时通过滤波器得到的一个滤波波形，图中1为陀螺仪传感器数值波形、2为加速度传感器数值波形、3实线为最终的滤波效果波形。表明滤波效果稳定可靠。图6（c）是在水平方向来回滑动时通过滤波器得到的一个滤波波形，图中1为陀螺仪传感器数值波形、2为加速度传感器数值波形、3为最终的滤波效果波形。表明加速度传感器对于水平运动量是比较敏感。