基于北斗导航的无人机系统设计∗

陈玺光 王尔申 ∗任 旭舒皖森吴黎艳徐 嵩张树宁马毓徽

(1.辽宁通用航空研究院，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳航空航天大学电子信息工程学院，辽宁 沈阳 110136；3.沈阳航空航天大学信息网络中心，辽宁 沈阳 110136；4.沈阳航空航天大学民用航空学院，辽宁 沈阳 110136；5.沈阳航空航天大学创新创业学院，辽宁 沈阳 110136)

近年来，无人机广泛应用于民用和军事领域[1]。其中，四旋翼是一种蝶形飞行器[2]，被应用于多个领域，如航拍、植保、运输、安防等[3－6]。无人机控制系统主要由陀螺仪、加速计、气压传感器、超声波传感器、光流传感器、卫星导航模块以及控制电路等组成[7]。随着我国北斗卫星导航系统的全球组网建设完成，北斗卫星导航系统可为各类载体提供全球时空重要信息[8－9]。在无人机导航定位中，北斗卫星导航系统可以为其提供精确的位置、速度等飞行状态信息[10]。文献[11]研究了基于DSP 微处理器的无人机飞控系统，文献[12]研究了基于最简控制系统的无人机设计，采用了MPU6050 模块[13]，相对于多传感器融合，它减少了占用空间，还消除了组合陀螺仪和加速度时间轴之差的问题[14]。

本文基于北斗卫星导航系统设计了小型无人机系统，研究北斗卫星导航时空信息协议和其他传感器的接口，并通过控制器采集状态信息进而实现对无人机的飞行控制。相对于现有的无人机来说，具有体积小、集成度高等优点。融入了北斗导航定位技术，对于远程无人机导航功能设计具有一定的参考意义。

1 无人机系统总体设计

无人机系统由无人机硬件系统、遥控器和上位机等三部分构成。无人机与遥控器和上位机之间采用无线模块进行数据传输。无人机系统整体结构框图如图1 所示。

图1 无人机系统整体结构框图

从图1 中可以看出，无人机硬件系统包含机械、电控等部分。其中机械硬件采用4 个820 电机和1 个1S电池作为动力来源，桨叶为一对正桨和一对反桨；电控硬件包含最小系统和传感器模块，分别为STM32 飞控板、陀螺仪、北斗模块、磁罗盘、气压计和无线模块；无人机软件系统采用串级PID 作为控制算法，还包含传感器数据获取、电量检测和双向通信等软件。

遥控器包含硬件和软件，硬件主要模块有无线模块、STM32 最小系统、摇杆、开关、显示屏和电池；软件系统主要包括无人机通信、摇杆A/D 转换、按键状态读取、显示屏显示和电量检测等程序。

上位机包含多个功能模块，分别为数据接收、数据显示、数据曲线绘制和调参等模块。

2 无人机系统软件设计

无人机系统的软件设计包括无人机软件设计、遥控器软件设计和上位机软件设计。其中无人机软件设计又分为姿态模式软件设计和定高定点模式软件设计。

无人机飞行控制均在定时器中断中进行执行。对于姿态控制，其流程如图2(a)所示，首先获取MPU6050 的角度和角速度数据，然后接收遥控器的控制数据，采用控制算法计算输入到电机的控制量，最后控制电机驱动。

图2 无人机飞行控制程序流程图

对于定高、定点控制，其流程如图2(b)所示，增加了经、纬、高度数据的获取，经、纬度数据由北斗模块获取，高度数据由气压计PL06 获取，偏航角数据由磁罗盘获取。其中气压计和磁罗盘采用软件模拟IIC 接口协议，由输出数据计算高度和方位角。北斗模块采用NMEA0183 协议输出数据，STM32 微控制器从中获取需要的经纬度、速度、航向角等数据。控制算法中，对于定高控制，由高度及其反馈构建PID 闭环控制系统，将定高系统的输出与遥控器油门的信号叠加，其中遥控器油门大于一定数值后才可以启动定高控制。

3 PID 控制算法

目前大多数低成本四旋翼无人机的控制方法均采用经典PID 法。文中采用串级PID 控制算法构建闭环控制系统对四旋翼无人机系统进行控制，分别包含姿态控制、定高控制和定点控制。

3.1 姿态控制算法

通过牛顿运动定律建立无人机系统运动模型，并构建串级PID 控制，可得到如图3 所示的无人机系统姿态控制框图。

图3 无人机系统姿态控制框图

在图3 中，α为无人机横滚角，Lx为升力作用点到机体坐标系YOZ面的距离，Iy为无人机绕Y轴的转动惯量；β为无人机俯仰角，Ly为升力作用点到机体坐标系XOZ面的距离，Ix为无人机绕X轴的转动惯量；γ为无人机偏航角，Iz为无人机绕Z轴的转动惯量。其中a、b、c为系数，其值如式(1)、(2)、(3)所示。

式中:km为比例系数；k阻为比例系数，阻力矩与转速近似为线性关系；k升为比例系数，升力与转速近似为线性关系；Im为电机绕轴的转动惯量。

3.2 运动控制设计

3.2.1 定高控制算法研究

通过气压计获得无人机的高度数据，并通过差分计算得到高度方向的速度。以高度和高度方向的速度构建串级PID 控制系统对高度进行控制，推导出其运动方程如式(4)、式(5)所示。

式中:Z为无人机在东北天坐标系下的高度，F升为单个电机带桨系统的升力，m为无人机的质量，θ为无人机机体坐标系XOY面与水平面的夹角，g为重力加速度，α为无人机横滚角，β为无人机俯仰角。

由泰勒公式对式(4)、式(5)进行简化，对于重力的影响，采用一定数值的油门进行抵消，然后进行拉氏变换，得到其传递函数如式(6)所示。

根据式(6)构建出其控制框图如图4 所示。

图4 无人机定高控制框图

3.2.2 定点控制算法研究

通过北斗模块获取经纬度信息，再将目标位置坐标通过磁罗盘获取得到的方位角转化为机体坐标系下的坐标，并以此作为位置控制的输入，构建PID控制环，然后对坐标进行差分得到速度反馈，位置环的输出作为速度环的输入，速度环的输出则作为姿态控制的输入，构建出四级串级控制。东北天坐标系位置坐标转化为机体坐标系的结构图如图5所示。

图5 坐标变换结构图

在图5 中，A点坐标为无人机在东北天坐标系下的坐标，由北斗模块获得，B点坐标为无人机在东北天坐标系下的目标位置坐标，角c为航向角，由磁罗盘获得，角d为向量AB与机体坐标系Y轴夹角，角e为向量AB与东北天坐标系正北方向夹角，X机、Y机表示无人机目标位置在机体坐标系下的坐标，也就是需要计算获得的量。东北天坐标系位置坐标转化为机体坐标系坐标的公式如式(7)～ 式(10)所示。

首先推导出其运动方程，并采用泰勒公式进行简化，然后进行拉氏变换得到其传递函数如式(11)、式(12)所示。

式中:F1、F2、F3、F4为无人机4 轴运动的拉氏变换的传递函数。

4 测试结果与分析

采用MATLAB 分别对无人机姿态控制系统、定高控制系统和定点控制系统进行仿真。并对无人机姿态控制进行实际测试。

4.1 姿态控制算法

对于无人机姿态控制系统，设置参数为:a＝1、b＝5、c＝1、Lx＝Ly＝1、Ix＝Iy＝10、Iz＝4。

对于横滚角和偏航角，设置目标角度为10°，初始角度为0°，测试其零状态响应；对于俯仰角，设置目标角度为0°，初始角度为10°，测试其零输入响应。对于横滚角和俯仰角系统，其外环参数均整定为Kp＝18、Ki＝1、Kd＝3，其内环参数均整定为Kp＝6、Ki＝0、Kd＝3。对于偏航角，其外环参数整定为Kp＝30、Ki＝1、Kd＝5，其内环参数均整定为Kp＝10、Ki＝0、Kd＝5。横滚角系统仿真图如图6 所示，其给出了横滚角度的运动模态；俯仰角系统仿真图如图7所示，其给出了俯仰角度的运动模态；偏航角系统仿真图如图8 所示，其给出了偏航角度的运动模态。从仿真结果图中可以看出，姿态角度均在极短的时间内运动到目标角度并达到稳定，符合稳定性、准确性和快速性的要求。

图6 横滚角系统仿真图

图7 俯仰角系统仿真图

图8 偏航角系统仿真图

4.2 定高控制PID 算法仿真

对于定高控制系统，系统参数与姿态控制算法仿真做同等设置。在飞行过程中，横滚角和俯仰角的变化也会产生高度的变化，而无人机飞行时的机动是不可避免的，故而定高控制系统时常受到持续的扰动影响。设置目标高度为100 cm，扰动用白噪声替代，外环PID 参数调节为Kp＝18、Ki＝1、Kd＝3，内环PID 参数调节为Kp＝6、Ki＝0、Kd＝3，仿真结果如图9 所示，可以看出，即使在有持续扰动的情况下，高度也能得到有效的控制。

图9 定高控制仿真图

4.3 定点控制PID 算法仿真

对于定点控制系统，系统参数与姿态控制算法仿真和定高控制仿真做同等设置。定点控制首先需要进行坐标变换，变换坐标后，设置机体坐标系下X轴方向的目标距离为200 cm，设置机体坐标系下Y轴方向的目标距离为300 cm，测试系统的性能。姿态控制的PID 参数不进行修改，最外环位置环的参数均设置为Kp＝20、Ki＝0、Kd＝2.5，速度环的参数均设置为Kp＝0.000 8、Ki＝0、Kd＝0。仿真结果如图10和图11 所示，可以看出，系统在一定的波动后达到了目标位置并能保持稳定。

图10 定点控制X 方向仿真图

图11 定点控制Y 方向仿真图

4.3 无人机姿态控制系统实物测试

为了调整无人机的控制系统参数并进行实物系统测试，设计了如图12(a)所示的姿态控制系统调试架，并在其上进行了如图12(b)所示的无人机姿态控制系统的参数调节和性能测试。图12(a)中所示参数调试架可以绕转轴进行旋转，旋转部件上有安装孔。实际测试时，首先将调试架固定在桌面上，然后将无人机通过安装孔固定在旋转部件上，再将预设定的参数写入无人机，并开启遥控器油门，观察无人机能否在转轴上保持固定的角度，并可通过遥控器改变其期望角度以测试控制系统的动态性能。若当前参数时系统性能很差，则可关闭遥控器，按系统的实际响应写入新的参数进行测试，直到系统满足稳定性、准确性、快速性的性能要求为止。测试结果表明:在调节好系统参数后，系统可以很好地对无人机姿态角度进行控制。

图12 无人机飞行姿态控制系统调试图

5 结论

文中研究并设计了一种基于北斗卫星导航的小型无人机系统，详细研究了系统的软硬件设计，并进行了控制仿真实验和实际运行实验测试。通过对该小型无人机系统的研究和设计表明:基于STM32 微处理器和陀螺仪等传感器组成的嵌入式硬件系统可以有效地进行信息探知和信息数据处理；嵌入式软件系统可以有效地协调全机功能，并根据无人机的传感器数据构建闭环系统对无人机进行智能控制；控制系统仿真实验结果验证了文中建立的控制系统的正确性，并说明了串级控制算法能够行之有效地对无人机姿态、定高和定点进行控制；实际运行测试结果表明，无人机系统可以正常稳定地运行。文中研究的系统对基于北斗卫星导航的小型无人机系统的设计具有一定的参考意义。