航空探测无人机自主飞行控制研究

杨涛 徐坚

摘 要：目前，采用固定翼无人机作为航空探测平台的方式无法进行精确的低空、低速测量。本文以旋翼无人机为载体，通过建立了平台系统的动力学模型，选用经典的闭环PID控制理论来设计无人机平台的飞行控制系统的控制器，并在MATLAB/SIMULINK软件中进行平台系统飞行仿真，仿真结果验证了飞行平姿态角中滚转角、俯仰角、偏航角和高度的控制设计PID回路控制方法的有效性。

关键词：航空探测平台；自主飞行控制；PID控制器；回路控制

1 前言

近些年，随着社会的发展，人类对矿产资源的需求日益增多，目前所开采的资源无法满足人类当 前日益增长的发展需要，寻找新的资源存储区域刻不容缓。近几十年里，航空物探技术在地质勘探领 域中逐步发展为一颗备受瞩目的新星，该技术既能保障人员安全，提高工作效率，也能够得到更精准 数据，拥有着广阔的发展前景。其中应用无人机作为航空探测的搭载平台是航空探测技术领域中的一 个新兴分支。

2 飞行平台分析

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV），是一种无人驾驶的、可重复使用的、具有 自主飞行能力的飞行器。无人机的智能化程度高，可完成多载荷任务在空中长时间飞行，在极其危 险的外界环境条件下重复飞行并且不会造成人员伤亡。无人机的核心部分是飞行控制系统，飞行控 制系统的性能好坏直接决定飞行性能及任务的完成情况。

选用四旋翼无人机作为航空物探无人机的搭载平台，该平台在结构上采用刚性轴对称的十字交叉架构，四个独立控制带有螺旋桨的电机分别固定在悬臂的四个顶点上，其他控制、测量等模块置于 装置中间。无人机搭载平台四个旋翼不同旋转方向时产生的向上的升力，沿 X 轴的正方向的运动为向 前运动，沿 Y 轴的正方向的运动为向左运动，沿 Z 轴的正方向的运动为向上运动。SIMULINK 是 MATLAB 软件的扩展组件之一，主要为动态系统和嵌入式系统的基于模型设计和多域仿真提供一种交互式图形环境。SIMULINK 具有极丰富的图形模块库，用户可根据需要将图形模块从库中拖出即可使用；为补充图形模块在实际应用时的局限性，SIMULINK 还补充了可用 C 语言或 SIMULINK 语言编写算法的 S-function 模块和 Embedded-function 模块，這些模块可像普通的图形模块一样直接调用。

3 飞行平台 PID 回路控制仿真

将平台控制系统分成：位置、姿态、速度控制回路，并选用 PID 控制理论作为本系统的主要控制 算法。下面将针对姿态控制回路进行控制器设计介绍，系统设计指标为：稳态误差≤10%；响应时间≤2s；过渡时间≤8s。姿态控制回路是整个平台控制系统的核心，是保证位置控制回路稳定的前提，决定着平台的飞行 状态，它的控制结果更是直接影响平台的飞行品质在姿态 PID 控制器模块中采用了 PID 控制算法。

搭载平台的硬件系统是整个平台系统的关键组成部分，也是实现平台探测飞行测试的基础。以第二章平台系统的动力学建模和第三章平台控制系统的 PID算法设计所做的理论为铺垫，将理论转换为实际，完成无人机的自主飞行控制。现设计一套基于 PID 控制算法的硬件控制系统。平台硬件系统可分为两部分：地面站部分和机载部分。地面站部分主要是通过无线模块向机载部分发送期望目标的控制指令。机载部分是期望目标控制指令的实现，是硬件系统的核心部分，也是本文研究的重点之一。为方便描述平台硬件系统的机载部分，现将整个机载部分分成五个子模块分别进行设计，即控制模块、测量模块、无线模块、执行驱动模块和电源模块。控制模块主要是包含主控芯片及其外围基本电路部分，主要负责处理实时采集的姿态及位置数据信息，根据接收到的控制指令，结合系统的控制算法计算输出量，调节电机的驱动信号，并将机载平台状况实时传回给地面站部分。测量模块，包括 IMU 惯性测量单元、数字罗盘以及气压计，主要负责获取平台飞行指令，采集平台飞行时的实时姿态和位置信息，然后传送给主控制器，完成反馈调节。无线模块负责接收来自地面站的控制指令信息以及将平台飞行状态信息发送回地面站。电源系统是平台运行与飞行的动力来源，为系统提供稳定的电源是实现平台

正常工作的基础。根据电机的输入电压要求，本文选用了 11.1V 的锂聚合物电池为整个平台系统供电，电池电量可以为平台提供 15 分钟的飞行时间。又由于系统电路中主控芯片的工作电压为 3.3V，部分传感器的工作电压为 5V，因此本文根据实际需要分别设计了由 11.1V 到 5V 和由 5V 到 3.3V 的电压转换电路，在前者转换电路中选用了 LM7805 作为降压芯片，在后者转换电路中选择了LM117—3.3 作为降压芯片。电路中电感和电容完成对电源信号的滤波。

4 结束语

设计的姿态控制回路具有较好的控制效果，滚转、俯仰、偏航三 个角度的响应时间控制在 1s 左右，6s 时响应曲线均到达稳定状态，过渡时间均小于 8s，稳态时的相 对误差不超过 10%，验证了 PID 回路控制方法的有效性。

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