一种基于数据融合的无人机定高飞行控制系统设计

王高峰+吴晓龙+倪策+石钟磊

摘要：针对小型无人机在执行定高飞行时，其高度测量精度易受外界因素影响的问题。本文设计了一套小型无人机机载两轴云台，采用MPU6050作为云台姿态反馈元件，利用互补滤波算法进行姿态解算，采用直流无刷电机直接驱动，从而使得超声波测距模块在无人机飞行过程中始终保持与地面垂直，消除了由于气流扰动以及无人机俯仰或横滚对测量值产生的偏差。

关键词：云台 超声波测距 姿态解算

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0174-01

定高飞行是无人机基本飞行模式之一，许多任务都基于此飞行模式基础上完成的。传统方法中超声波测距模块垂直固定于无人机底部，无人机在进行俯仰或横滚运动时，当偏转角度增加到一定程度，会导致测量值产生偏差，甚至会出现无效值。本文采用机载两轴云台设计，使得超声波测距模块在无人机飞行过程中始终保持与地面垂直，从而大大提高了其高度测量精度，增强了无人机定高飞行的稳定性。

1 系统结构

整个系统由主控制器、超声波测距模块、姿态反馈模块、执行机构四部分组成，系统组成图如图1所示。其中主控制器采用的是意法半导体公司的STM32系列芯片；超声波测距模块采用超声波传感器进行测距，并将其固定于两轴云台的正下方并保持其探头垂直向下，以便对对地高度进行测量；姿态反馈元件采用的是MPU6050；执行元件采用的是L6234电机驱动器和无刷电机组成的执行机构，无人机云台可由俯仰轴控制电机和横滚轴控制电机分别控制云台的俯仰和横滚动作；本系统采用3DR数传模块（433MHz）与地面站之间进行数据通信。

2 功能模块

2.1 超声波测距

超声波传感器发射端在空气中发出速度为的超声波，当其遇到被测物体时会被反射，并由超声波传感器接收端接收。当温度变化不大时默认声速基本不变。超声波测距的原理是测量发射超声波和接收到返回超声波的时间差，并由时间差计算出发射地点到被测物体之间的实际距离，具体测距公式表示为：

式中为所测距离的长度；为超声波在空气中的传播速度；为发射超声波和接收到返回超声波的时间差的一半。

2.2 姿态测量与解算

陀螺仪是一种基于角动量守恒理论的角速度传感器。加速度计是测量运载体线加速度的仪表。MPU6050包含三轴MEMS加速度计、三轴MEMS陀螺和一个可扩展的数字运动处理器DMP。本系统采用MPU6050来测量无人机飞行过程中超声波传感器发射端与地面的夹角。

陀螺仪具有实时反馈角速度精度较高、动态响应好等优点，但通过积分容易产生误差累积。加速度计用于姿态估计，不会产生误差积累，但其动态响应较慢。利用二者频率上的互补特性，采用互补滤波算法对二者进行数据融合，可以将各个传感器得到的数据充分应用。

2.3 云台控制

当检测到当前超声波测距模块固定框的姿态角后，可将其与期望姿态角进行比较，若有扰动力矩的作用使得姿态角大于预设的角度时，就会通过PID控制器运算输出PWM信号，利用基于L6234电机驱动器分别驱动俯仰轴和横滚轴的无刷电机逐步并精确地增加或减小转子力矩，从而在各电机轴输出反力矩，以补偿外界扰动力矩，使得无人机在俯仰或横滚状态时超声波测距模块始终垂直于地面，从而确保超声波测距模块获得精确的高度测量数据。

由于对系统的PID控制参数调整较为繁琐，必须结束飞行后在地面上才能调整参数，因此选用3DR数传模块（433MHz）与地面控制平台进行远程通信，从而使得无人机在其飞行过程中可实时调整各轴的控制参数及其定高高度，节约了调试时间。

3 结语

本文设计了一种含有超声波测距模块的小型无人机两轴云台，研究了利用互补滤波算法将陀螺仪和加速度计的数据进行融合解算的方法。并采用PID算法来对云台的姿态进行控制。使得超声波测距模块在无人机飞行过程中始终保持与地面垂直，从而提高了其高度测量精度，增强了无人机定高飞行的稳定性。

参考文献

[1]苑洁.基于STM32单片机的高精度超声波测距系统的设计[D].华北电力大学，2012.

[2]刘慧.基于超声波测距技术的小型无人机高度测量方法研究[D].内蒙古工业大学，2015.

[3]曾伟.基于DSP的四旋翼无人机驱动器的控制研究[D].天津大学，2012.

收稿日期：2016-09-01

作者簡介：倪策（1991—），男，陕西咸阳人，在读硕士研究生，研究方向：信息与通信工程。