周新淳

(寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721016 )

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基于MEMS的低成本多旋翼飛控設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)*

周新淳

(寶雞文理學(xué)院，陜西 寶雞 721016 )

隨著多旋翼飛行器應(yīng)用場(chǎng)景的增多以及MEMS傳感器技術(shù)的進(jìn)步，低成本MEMS傳感器應(yīng)用在多旋翼飛控上需求越來(lái)越廣。研究設(shè)計(jì)了一種基于MAX21000+ADXL362+HMC5983+MS5611等MEMS傳感器的多旋翼飛控，處理器采用STM32F407，大大降低了硬件成本。在算法層面，姿態(tài)通道采用線性自抗擾(LADRC)中的微分跟蹤器和線性狀態(tài)擴(kuò)張器，減少了超調(diào)，提高了抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)控制和定點(diǎn)飛行等功能。經(jīng)實(shí)際飛行表明，基于MEMS傳感器的低成本多旋翼飛控具有成本低、性價(jià)比較高和算法簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，非常適合消費(fèi)級(jí)多旋翼使用。

MEMS; 多旋翼無(wú)人飛行器；飛行控制；姿態(tài)解算；線性自抗擾

自1916年Lawrence和Sperry制造了第1架無(wú)人機(jī)發(fā)展至今，無(wú)人機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)活躍在軍事、工業(yè)、服務(wù)和娛樂(lè)領(lǐng)域規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)。無(wú)人機(jī)的類(lèi)型可分為固定翼、單旋翼、多旋翼、撲翼和飛艇等[1-2]。其中，多旋翼飛行器以其獨(dú)有的飛行特性，得到了越來(lái)越多的關(guān)注和應(yīng)用。隨著多旋翼飛行器在消費(fèi)領(lǐng)域的推廣，遇到的最大問(wèn)題就是傳統(tǒng)飛控成本價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了產(chǎn)品所能承受的范圍。

本文所設(shè)計(jì)的基于MEMS傳感器的多旋翼飛控，采用了美信公司生產(chǎn)的MAX21000三軸MEMS陀螺儀、ADI公司的ADXL362三軸加速度傳感器、霍尼韋爾公司的HMC5983三軸磁傳感器以及MEAS公司的MS5611氣壓傳感器。上述傳感器都采用SPI總線，具有高速、可靠和接口一致性好等特點(diǎn)。GPS采用UBLOX公司的M8N多星座接收機(jī)，與上述傳感器組成一套完整的導(dǎo)航設(shè)備。處理器采用STM32F407，其有一個(gè)定點(diǎn)FPU運(yùn)算器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航計(jì)算、導(dǎo)航控制計(jì)算和電動(dòng)機(jī)控制等任務(wù)，具有價(jià)格便宜、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

為了最大限度地提高姿態(tài)控制超調(diào)和抗干擾能力，姿態(tài)控制算法采用線性自抗擾(Linear Active Disturbance Rejection Control, LADRC),而位置控制通道采用PID控制[3]，極大地節(jié)省了計(jì)算資源。

1 多旋翼飛控設(shè)計(jì)概述

多旋翼飛控硬件框圖如圖1所示。IMU采用MPU6000，其是一款六軸傳感器，包括三軸陀螺儀和三軸加速度傳感器。GPS/COMPSAA為GPS與外部電子羅盤(pán)模塊，采用Ublox-M8N和HMC5883L，通過(guò)1路UART和1路I2C接口將數(shù)據(jù)送入飛控芯片。飛控芯片通過(guò)1路PPM接口讀取遙控器信息。電源為飛控芯片供電，并且支持1路電壓與1路電流采樣，以便能夠?qū)崟r(shí)了解電池電壓和放電電流大小。LED系統(tǒng)為1路I2C接口，控制飛機(jī)狀態(tài)LED顯示以及外掛其他I2C設(shè)備。電動(dòng)機(jī)控制的PWM接口的脈寬為1～2 ms，頻率為50 Hz，支持4路電動(dòng)機(jī)；輔助控制通道可分為3路云臺(tái)運(yùn)動(dòng)通道和1路腳架運(yùn)動(dòng)通道，支持脈寬為1～2 ms，頻率為50 Hz。處理器采用ST公司的M4內(nèi)核處理器(STM32F427)，其具有外設(shè)齊全、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、存儲(chǔ)能力大以及價(jià)格便宜等特點(diǎn)，非常適合低成本的多旋翼飛控[4]。

圖1 多旋翼飛控硬件框圖

2 多旋翼飛控導(dǎo)航算法編排

多旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)可以分為飛行和懸停，針對(duì)這一特點(diǎn)設(shè)計(jì)了2套導(dǎo)航算法。當(dāng)多旋翼飛行器處在飛行狀態(tài)時(shí)，由于GPS可以提供比較精確的位置和速度參考，采用基于姿態(tài)速度誤差方程的15狀態(tài)量拓展卡爾曼算法具有很好的可觀性，因此可以采用GPS/INS松組合算法；當(dāng)多旋翼飛行器處在懸停狀態(tài)時(shí)，由于姿態(tài)速度誤差方程航向通道不具有可觀性，而且這時(shí)外部加速度很小，因此采用四元數(shù)、三軸陀螺儀零位7狀態(tài)量拓展卡爾曼和以三軸加速度、三軸磁為觀測(cè)量的AHRS算法。

1)當(dāng)多旋翼飛行器處在飛行狀態(tài)時(shí)，采用GPS/INS松組合算法[5]。狀態(tài)量選取3個(gè)方向的速度誤差、3個(gè)姿態(tài)角誤差、3個(gè)方向的位置誤差、3個(gè)陀螺儀的零偏以及3個(gè)加速度傳感器的零偏。

(1)

(2)

2)當(dāng)多旋翼飛行器處在懸停狀態(tài)時(shí)，采用四元數(shù)、三軸陀螺儀零位為7個(gè)狀態(tài)量，三軸加速度輸出、三軸磁輸出為觀測(cè)量。

狀態(tài)方程如下：

(3)

(4)

(5)

觀測(cè)方程如下：

(6)

卡爾曼算法很多文獻(xiàn)都有講解[6-7]，本文不在贅述。

3 多旋翼飛控導(dǎo)航控制算法編排

由于多旋翼飛行器具有控制通道間強(qiáng)耦合、非線性的特性，很難建立精確模型；因此，本文采用“以誤差反饋消除誤差”的原則，將各位置、姿態(tài)通道控制獨(dú)立出來(lái)進(jìn)行控制[8]。

飛控的Pitch/Roll通道采用線性自抗擾算法(LADRC)，以增強(qiáng)其魯棒性以及抗干擾能力。由于多旋翼的YAW通道以及位置通道控制動(dòng)態(tài)比較低，因此采用一般的PID進(jìn)行控制[9]。

用輸入信號(hào)通過(guò)跟蹤微分器(Tracking Differentiator, TD)安排過(guò)渡過(guò)程，其離散形式可以表示為：

式中，fhan(x1,x2,a,h)函數(shù)為韓函數(shù)[9]。

用線性狀態(tài)擴(kuò)張器(Liner Extended State Observer, LESO)估計(jì)各個(gè)狀態(tài)量，并且估計(jì)出內(nèi)外的干擾，其2階離散狀態(tài)方程可以表示為：

式中，e(k-1)為k-1時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值與狀態(tài)值之差；y(k-1)為各姿態(tài)通道的姿態(tài)值；z1(k)、z2(k)和z3(k)為k時(shí)刻估計(jì)的狀態(tài)量，其中z3(k)為估計(jì)的總干擾量；b0為輸入增益；u(k-1)為k-1時(shí)刻控制輸出；β1、β2和β3為3個(gè)參數(shù)，可以分別表示為3ω0、3ω02和3ω03。

姿態(tài)通道控制框圖如圖2所示。

圖2 姿態(tài)通道控制框圖

由于PID控制是一種非常通用的控制算法，此處不在贅述。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

姿態(tài)測(cè)量精度見(jiàn)表1。

表1 姿態(tài)測(cè)量精度表

姿態(tài)通道采用的LADRC中的TD、LESO算法，采用分開(kāi)仿真的方法驗(yàn)證了其有效性[10](見(jiàn)圖3～圖6)。由圖3～圖6可知，算法中加入了TD、LESO后，能夠有效地提高相應(yīng)能力，抑制突然干擾。

5 結(jié)語(yǔ)

仿真和實(shí)際飛行測(cè)試表明，基于MEMS傳感器的低成本多旋翼飛控能夠滿足姿態(tài)飛控和定點(diǎn)飛行等功能要求。由于該設(shè)計(jì)采用TD、LESO以及PID算法，既能極大地提高姿態(tài)控制的抗超調(diào)、抗干擾能力，又考慮了工程實(shí)際中簡(jiǎn)單有效的基本原則；并且此飛控采用的器件都是MEMS傳感器，因而具有價(jià)格低、體積小、質(zhì)量輕以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)[11]，非常適合低成本、載荷有效的多旋翼使用。

圖3 Pitch通道PID與加入TD后對(duì)比

圖4 Roll通道PID與加入TD后對(duì)比

圖5 Pitch通道PID與加入LESO后對(duì)比

圖6 Roll通道PID與加入LESO后對(duì)比

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* 寶雞市科技局農(nóng)業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目(14NYGG-5-7) 寶雞文理學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(ZK11145)

責(zé)任編輯 馬彤

Design and Implementation of the Low-cost Multi-rotor Flight Control System based on MEMS

ZHOU Xinchun

(Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721016, China)

With the increasing application of the multi-rotor unmanned aerial vehicles and the progress of the MEMS sensor technology, the use of MEMS sensors in the multi-rotor flight control system is more widely. Design a multi-rotor flight control system based on several MEMS sensors including MAX21000, ADXL362, HMC5983 and MS5611, and the processor uses STM32F407, which can reduce the cost of the hardware greatly. In algorithm, the tracking differentiator and linear extended state observer in linear active disturbance rejection control are applied in the attitude estimation, which reduces the overshoot, improves the ability of anti-interference and realizes such functions as attitude control and landing. The practical flight shows that the low-cost multi-rotor flight control system based on MEMS sensors has the advantage of low cost, high performance, simple algorithm and so on, and it is very suitable for the use of consumptive multi-rotor.

MEMS, multi-rotor UAV, flight control, attitude estimation, LADRC

TP 212.9

A

周新淳(1983-)，男，講師，碩士，主要從事信號(hào)處理、測(cè)控電路等方面的教學(xué)和研究。

2016-06-24