多旋翼飞行器软硬件系统设计与实现

有德义

1.德州职业技术学院

2.沈阳理工大学

针对旋翼无人机姿态不稳定等问题，分析旋翼飞行器的结构特点、姿态解算及其飞行控制原理，提出一种以国产STC处理器为核心的飞控技术方案，给出系统方案框图以及硬件电路设计和软件设计方案，硬件电路包括：系统电源模块电路、处理器模块电路、姿态检测电路、电机驱动电路、超声波测距和红外接收模块等，给出硬件电路原理图。软件通过采集陀螺仪加速度计等传感器的姿态信息并就行数据融合估算出旋翼无人机当前的姿态，给出旋翼飞行器定高程序、避障程序、采用两级PID闭环串联控制方式。通过飞行硬件电路设计和测试实验表明，该飞行器实现稳定悬停定高飞行和避障功能，同时算法能够很好的对飞行器姿态控制，该系统对于国产无人机飞控的发展具有重要意义。

旋翼飞行器利用空气动力来抵消自身的重量，能够实现自主飞行或者遥控飞行；随着科学技术的不断提高和人工智能的不断发展，飞行器在民用方面和军事领域的应用愈发丰富。旋翼飞行器具有控制特性简单、飞控稳定和带负载能力强等优点。小体积机型之间的差异和干扰的存在，飞机容易受到气流等外界环境的影响，因此对无人机控制提出了更高的要求。为了能够快速的响应和稳定性，需要做适应性调整。

飞行原理

为对旋翼飞行器的控制问题进行研究，首先建立旋翼飞行器的系统模型。飞行器的飞行原理如图1所示。具有4个旋翼，两个顺时针旋转、两个逆时针旋转的电机抵消飞行器扭矩。电机带动桨叶产生向上的升力，当升力大于自身的重力时飞行器可以上升。

图1 飞行原理图。

旋翼飞行器的飞行姿态、飞行状态和运动形式可以通过调整四个电机的转速来进行改变。当4个电机转速相同，产生的升力相同时，飞机处于悬停或上下匀速运动状态；当2号电机和4号电 机产生的升力相同，1号电机产生的升力大于3号电机时，飞机处于俯仰运动状态；当1号电机和3号电机产生的升力相同，2号电机和4号电机产生的升力不等时，飞机处于滚动运动状态；当对角线电机产生的升力相等，非对角线电机产生的升力不等时，飞机处于偏航状态。

系统方案设计

飞行控制系统采用晶弘科技IAP15系列处理器的IAP15W4K58S4作为整个系统的控制核心，首先将有加速度计、陀螺仪和磁力计检测当的当前无人机的姿态信号传输给处理器，然后处理器进行信号处理估计飞行器当前姿态和位置，进而采用一定的控制算法对飞行器进行控制。数字式的输出量直接转换成输出由处理器处理，姿态和位置信息输入减少模数转换功能，降低处理器的运算力，减少工作量，提高处理器的效率。处理器输出不同占空比的信号，该信号通过调制器产生多种PWM波形，以此改变四个电机转速来调整飞行姿态和升降功能。

旋翼飞行器的高度可以通过超声波测距模块利来调整，用超声波的反射特性来测量飞行器距地面的距离。红外避障模块采用红外光电检测的原理，当检测到障碍物时，处理器通过子程序和相应算法来响应以避开障碍物。电源模块则由高效能锂电池供电，通过电流计和电调电路变换成MCU和电机所需要的电压信号。遥控接收模块能够实现遥控器和飞行器的实时通信，保证飞行器的飞行路径和飞行高度。系统框图如图2所示。

图2 系统方案框图。

图3 电源系统设计。

系统电源模块设计

飞行器的主要能量来源是高效能的锂电池，采用高聚合物锂电池能够满足电路的需要，通过相应的降压电路来实现飞控的供电。本设计采用电调输出5V电压，然后采用降压电路来实现飞控的稳定电压。

电源模块为旋翼自主飞行器提供了电源和电机驱动，其必须具有高电压和高电流。用高能量密度的输入电流持续的锂电池，其电压为11.2V，足以提供驱动电机的电压和电流。电子调速器可以直接从3S锂电池获得电源供应，而微控制器和其他传感器既可以单独供电、也可以通过电子调速器降压模块获取电压，电源冗余设计能够保证动力持续提供，电压稳定满足飞控的需求。

处理器模块设计

采用控制器是一个8位处理器，具有快速的计算速度和丰富的片上资源，可以处理复杂的任务，满足旋翼飞行器的实时处理。高速10位A/D转换器满足信号处理功能，外设资源非常丰富，便于飞控扩展。PWM波可以输出多通道独立占空比，具有可以扩展的外围电路，设备支持UART、I C2CH等串行通信，采用引脚复用功能，节省硬件资源，具有超低功耗，不需要EEPROM。它可以存储更大的程序段，可以方便地控制电机并进行浮点运算。

姿态检测电路设计

采用先进的MPU9250传感器，免去组合陀螺仪和加速度计时间轴之间的问题，连接三轴磁力计可以提供完整的9轴运动融合输出，采用集成陀螺仪和加速度传感器的MPU9250传感器模块。输出 16 位的数字量；串口总线接口和处理器进行数据融合，传输速率高达0.4MHz/s。同时该陀螺仪的角速度测量范围较高，具有良好动态响应特性。

电机驱动模块

飞行器的动力由4个无刷电机提供，通过控制转速实现飞机的各种机动。考虑到设计的低成本特性和设计验证机的目的，采用了低成本的无刷直流电机。当使用直流电动机时，需要在电机的两个端子上加载电压。电压的高低直接影响电机的转速。关系如下：

图4 处理器模块电路图。

图5 姿态检测模块电路图。

式中：U为加载在电动机两端的直流电压；I为直流电动机的工作电流；R是直流电动机线圈的等效内阻；是常数，与电机本身的结构参数有关；φ是每极总磁通。

PWM输出方法是以处理器的I/O口作为PWM的输出端来实现。输出信号PWM波用于控制晶体管的导通控制电机的速度。当频率足够高时，电机绕组是具有存储能量的感性负载，并且对PWM输出的高低电平起到平缓的作用。

图6 超声波测距模块。

超声波测距模块

超声波测距要求地面附近控制某一飞行的高度，当超声波到达物体表面时可以被接收器反射，超声波测距模块采用集发射和接收于一体的超声波模块。该模块性能稳定测距准确，可与国外SRF05和SRF02超声波测距模块进行比较。该模块精度高，测量距离2cm～450cm，适用于近地测距。

红外避障模块

飞行器可以通过红外传感器自主探测障碍物，当前方有障碍物时，飞行器减速或者偏航运动而转向以避开障碍物。通过执行中断服务程序中实现实时避障，使微处理器更高效地工作。通过镜头该红外传感器可以检测大约80cm远的障碍物，通过根据需要调整尾部电位器旋钮，可以设定传感器检测到的距离。它可以触发中断，然后进入中断服务子程序，以完成当线路连接到外部中断触发端口时的避障功能。

图7 主程序图。

飞行器平台的软件系统设计

软件总体设计

飞行器平台软件设计的总体目的是协调各模块的正常工作，使旋翼自主飞行器能够按照既定的方案稳定飞行。被控制的飞行器是六自由度和四输入的欠驱动系统，因此控制量之间存在耦合关系，飞行控制算法必须能够稳定有效地控制六个自由度和四个控制量。利用经典多级PID控制算法，期望姿态变化转化为控制器输出PWM波占空比的变化来控制电机转速。通过控制电机的加速或减速，保持飞机的平衡和各种姿态变换和运动形式。

旋翼飞行器定高程序

用超声波测量旋翼自主飞行器的高度。当超声波被发送时，计时器开始计时；当超声波停止时，飞行的高度可以通过定时器时间和超声波传输的速度来测量。流程图如图4.3所示。

图8 超声波定高流程图。

旋翼无人机避障程序

红外收发器功能是通过红外收发器检测障碍物。检测到障碍物，模块输出端口输出低电平。输出端口与处理器的外部中断触发器连接。检测到障碍物时，触发中断进入中断服务子程序，增加飞机前进方向前侧电机的速度。减小后侧的电机速度，实现向后避障，然后通过偏航运动改变飞行方向。程序框图如图8所示。

图9 红外避障流程图。

飞行器姿态控制通过定时器0中断，每隔一个中断周期（6ms）就检查和调整飞行姿态检测并计算：中断后，首先保护现场，然后判断飞机是否失去联系，若失去联系则出发失控保护，缓慢下降俯仰翻滚方向归中；若没有失联，则对加速度传感器和陀螺仪的平均值进行滤波，然后计算每个轴的倾角。对滤波后的测量值使用卡尔曼滤波器，融合相应轴的倾角，使加速度传感器和陀螺仪的偏差滤除，以获得更精确的倾角值，然后通过四元数结算后加载到相应PWM模块。根据偏差，计算出倾斜轴的两个电机应该输入倾斜角的PWM波形。

图10 PID控制系统框图。

姿态控制流程图

飞行器采用内外环控制。外环控制器为内环控制器提供指令，即把飞行器水平位置通道控制器的输出作为姿态控制系统的参考值。内环期望姿态和当前测量姿态信息经过姿态控制产生姿态角误差，期望轨迹和当前飞行器测量的位置信息经位置PID控制器计算得到飞行器升力控制量和期望姿态。期望悬停飞行时系统输出稳定，在飞行器悬停状态下，从图可知，横滚角和俯仰角动态调整范围小于0.05rad，具有很好的稳定性。

样机测试图如图12所示，该飞行器的总重量是1200g，每轴的悬停拉力要300g，每个电机需要的电流是4A，4个电机总电流是16A，算出最大的悬停时间是13.5min。飞行器升空以后，按照5m/s的速度沿直线巡检，在13.5min的情况下可飞行13.5×60×5=4050m。飞行姿态角稳定输出，悬停状态下横滚角和俯仰角变化范围较小。

图11 横滚（上）和俯仰（下）姿态变化曲线。

图12 样机测试飞行图。

结束语

设计的该国产单片机飞控能够和开源飞控比较，具有较好的稳定性，且性能优越、成本低、结构完整、控制稳定。各个模块的调试及调整使旋翼飞行器能够正常工作，该飞行器能够很好的实现定高飞行和定点悬停。飞行器基本达到了良好的悬停状态，对国产无人机飞控技术的发展与国产化有很好的借鉴价值。