多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究

明志舒+黄鹏+刘志强+李乐蒙+高凯

摘 要：随着社会的进步和国民经济的发展，现代高新科技的发展得到了前所未有的推进，为各行业的进步和发展提供了良好的保障。近些年来出现的多旋翼无人机，是一种集合多项现代高新科技的成果，具有定点悬停功能，能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。本文就四旋翼无人机为例，探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。

关键词：多旋翼无人机 飞行控制系统 设计与实现研究 无人机飞行控制系统

中图分类号：V249 文献标识码：A 文章編号：1672-3791（2017）10（b）-0057-02

1 飞行控制系统的硬件设计

本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块，具体论述如下。

1.1 控制器

我们利用美国德州仪器公司所研发的TMS320F28335当作控制器当中的主芯片，可以说它是当下功能最为强大的一种芯片，具备对信号加以处理的功能，而且还有嵌入式控制以及针对事件加以管理的功能。该芯片的外部接口基本原则为：将飞控系统作为基础而定。该芯片不管是在引脚数目上，还是在引脚功能方面都非常贴合飞控系统的全部要求，所以说只要针对芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征为：（1）利用到了哈弗总线结构。（2）其代码安全模块利用到了128位密码对Flash加以保护，保证相关寄存器在数据方面的安全。（3）TMS320F28335的应用，实现了对开发时间大幅度的节约，这主要是其利用到了目前应用比较广泛的C/C++语言。（4）1K×16 OTP ROM以及8K×16形式的Boot ROM，供给出了两个用于采样的电力，继而实现了对两个通道上信号实施的同步采集，所以有着非常高效的处理能力以及运算的精度，确保了信号所具备的时效性以及高速性。

1.2 传感器

1.2.1 陀螺仪

陀螺仪能够对检测指示器中的数据加以显示，是自动控制系统当中的一个非常重要的组成。应用的陀螺仪是MPU6050三轴形式的陀螺仪，具有16位的模拟、数字转换器，使输出模拟量实现向可输出数字量的转化。

1.2.2 加速度传感器

在多旋翼的飞行控制系统当中，加速传感器应该说是一个非常重要的元器件。这不仅是由于加速度传感器具有动态载体的特性校正功能，并且它能够针对加速度实施积分，继而得出载体速度以及位置之类的基本信息。我们所选取的ADI公司研发的ADXL345传感器，同时兼具SPI以及I2C的数字输出功能，其分辨率较高，同时体积也比较小。

1.2.3 GPS模块

当无人机在天空飞行的时候定位系统是十分重要的，需要对无人机所呈现的姿态加以实时的测量，可以说在无人机系统当中，GPS模块占据着一定的主导地位。我们选取了U-BLOX公司所研发和生产的CJMCU-6M当作GPS的接收机，该传感器具有接口较为方便，而且定位的速度也比较快，不用长时间等待的特征。其利用串口输出的形式RS-232数据传输，继而结合协议而解算无人机所处的坐标、高度和时间之类的信息。

1.3 电源

电源模块主要的功能是为飞控系统当中的其他模块供给电量，从而确保飞行顺利。电源模块当中主要包含一个电源接口，以及一个稳压器，稳压器所具备的功能是对电压加以转换，避免因为高电压而导致电路板和一些其他元器件的损坏。本文中选择系统稳压器的标准为5V输入，主控板的供电输出是3.3V，而最大的输出电流是500mA。

1.4 执行机构驱动

多旋翼无人机的飞行系统想要达成自主悬停功能，这就需要飞行器必须要在飞行不稳的情况之下能够迅速地改变成为平稳的状态，也就是在这种情况之下，执行机构要在非常短的时间之内做出相应的反应，让无人机所呈现的速度能够高速地提升或降低。本文所设计的系统当中采用直流无刷电机当作执行机构，继而配合无刷电调来应用，这个电机具备周期较长，而且效率较高等特征。电机是一种十分关键的执行机构，是对飞行器的姿态加以控制的动力。而我们所选择的直流无刷电机是想让四旋翼形式的飞行器形成多种飞行的姿态，工作的主要原理为对空气动力学的利用，从而使旋翼形成多种转速，继而达到想要的效果，完成各种飞行姿态。直流无刷的电机所接收到的控制信号是PWM波所发出的。而结合DSP所发出的具有不同占空比的信号，电机就能够做出相应的改变，继而形成各种转速，让无人机能够在空中显现出各种飞行的姿态。

1.5 遥控接收

我们所选择的接收机是我国天地飞公司所产出的WFLY型七通道的接收机，对遥控器发射的信号加以接收，在无人机的操作人员实施操控的过程当中，遥控器将会利用内部解算编码之类的过程把信号转变成为可以接收并识别的PPM信号，而接收机在对PPM信号加以识别之后，再利用译码电路把它转化成PWM信号，最后再传输给信号转换的模块。而信号转换的模块是把五个通道的信号转化成四路高速电子的调速器接收PWM信号。信号转换模块所对应的输出跟电子调速器之间是相互连接的，它所输出的也是PWM信号。而电子调速器是跟四个电机加以直接连接的，对电机所呈现的供电电压加以控制，继而实现对电机转速的控制，让无人机能够形成各种各样的飞行姿态。

2 飞行控制系统的软件设计

2.1 软件流程总体图

本文所设计的多旋翼无人机软件流程，其串口的初始化在系统的初始化当中实现。一样在系统的初始化当中完成的还有I/O口、系统时钟以及系统参数的初始化。针对多旋翼无人机所具备的通讯状态和飞行姿态做出的检测主要是利用自动检测的方式。多旋翼无人机在对各种命令加以执行的进程也就是我们常说的对姿态的控制，其所包含的内容有：俯仰、偏航以及翻转。要是无人机可以实现此项检测，系统将会跳转到等待指令状态之中，而要是没有收到命令，其中的软件部分就将会对相关的命令加以计算，继而为下一步命令的执行做良好的准备。

2.2 以Lab VIEW为基础的姿态测量软件设计

四旋翼无人机的软件设计思想在于结构以及算法，所选择的编程软件Lab VIEW当作最为重要的编程语言。而在软件总体设计方面，则要实施一次串口的初始化，继而将采集的数据加以循环，在这当中包含针对数据实施的读取、判断以及转换等，最终结合数据对姿态加以显示。

3 实验结果以及分析

结合Lab VIEW程序所呈现的流程图，能够实现四旋翼无人机所呈现姿态数据的采集，进而对将虚拟仪器无人机姿态的测量系统加以构建。笔者让一架无人机呈现出下仰12.3°，继而俯仰-7.5°，左偏139.18°姿态，把它固定在转台之上，继而每相隔5°记录一组3个姿态角输出。转台转动一周之后，得出转台转角跟不同姿态角之间所呈现的关系曲线。所以，本文设计的飞行器大体可以实现预期的效果，较为符合飞行器姿态的测量设想。

4 结语

本文从硬件原理和软件原理的各方面对多旋翼无人机的飞控系统构建过程进行了较为详尽的介绍，通过文章中的讨论可以得出结论，我们设计的飞行控制系统实现了对无人机飞行姿态的有效控制，继而为今后的研究奠定了基础。

参考文献

[1] 薛亮.多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现[D].南京航空航天大学，2016.

[2] 谢龙，韩文波.四旋翼无人机飞行控制系统设计研究[J].光电技术应用，2015（1）：48-53.endprint