多旋翼无人机飞行控制系统设计研究

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实验研究

0 引言

多旋翼无人机是集合多项现代高新科技的成果，无人机

行业的蓬勃发展是中国崛起、中国航空产业崛起的重要体现，多旋翼无人机具有系统安全性好、可靠性高、负载能力强等特点，具有非常广阔的应用前景。多旋翼无人机的作业方式相比于传统的人工作业方式，大大提高了作业效率、降低作业成本与风险。在无线通信技术与图像处理技术快速发展的背景下，多旋翼无人机逐渐向智能化的方向发展，另外，

独特的机械结构使多旋翼无人机更加灵活。随着无人机在人们生活中的进一步普及，无人机故障的影响也会越来越大，在大多数故障中，主要是控制器故障后果最为严重，所以飞行控制器的结构健康管理始终受到人们高度重视。

1 多旋翼无人机任务需求分析

多旋翼无人机飞行控制系统主要服务于公安消防、公共

安全、勘察搜救等领域，对无人机的飞行安全、可靠性等要求较高，针对多旋翼无人机所应用的特殊场合，其飞行控制系统需要具备以下性能指标：

首先要具备机载飞控系统与地面站两部分，由机载飞控

系统来进行控制律的运算，通过电机控制指令对地面站发送的信息进行接收。地面站会显示无人机当前的飞行状态以及

主控件的基本性能。其次要具有良好的传感器以及多种飞行模式，传感器主要对无人机飞行姿态、高度、位置等信息进行采集，通过机载计算机对相应数据进行处理，多旋翼无人机存在多种飞行模式，需要根据实际情况选择最佳飞行模式。最后，多旋翼无人机飞行控制系统要具有多种读取遥控

信号的方式，实现多种多旋翼无人机的飞行控制。还要具有在线调整及保存相关的控制参数功能、在异常情况下应急处理功能等。根据多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求： ■1.1 飞行控制处理器

飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制

性能。由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实

现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。 ■1.2 传感器

传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远

的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。 ■1.3 软件开发

多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳

定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。

2 多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计

多旋翼无人机飞行控制系统总体架构由机载部分与地面

站部分组成，机载部分主要由飞控处理模块、传感器模块、电

源模块、执行机构构成。地面部分与机载部分之间的信息交互

主要通过无线通信模块来完成。飞控系统总体架构如图1所示。

图1 飞控系统总体架构

■2.1 飞控系统硬件平台设计

当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP 等高

速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，

多旋翼无人机飞行控制系统设计研究

张建学

（中国民航飞行学院计算机学院，四川广汉，618307）

摘要：多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点，已经成为微小型无人机的主流，获得了广大的消费群体。飞控系统作为无人机的核心技术，始终是无人机学术与工程领域研究的热点。本文以多旋翼无人机为研究对象，根据多旋翼无人机的结构特点，对飞行控制系统进行设计与研究，从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。关键词：多旋翼；无人机；飞控系统

在运算负荷加重的情况下回影响控制的稳定性。本文选用STM32F407+STM32F103双ARM架构的控制系统硬件平台，如图2所示。

飞控硬件平台由机载部分与地面部分组成，机载部分由主控制器STM32F407、从控制器STM32F103、传感器以及无线数传共同组成。传感器由六轴陀螺仪与三轴磁阻传感器组成，能够对多旋翼无人机的飞行姿态数据进行测量。GPS定位系统能够掌握无人机的飞行位置信息，通过超声波传感器来对高速信息进行测量。多种信息通过不同的通信接口发送到控制其，实现与地面之间的信息交互。

主控制器会结合不同的任务来执行相应的控制律，解算出的控制指令通过I2C接口传递到控制器。EEPROM、气压传感器通过I2C总线与主控制器连接，存储无人机相关飞行参数。从控制器主要对六轴陀螺仪和三轴磁阻传感器的数据进行收集，同时对遥控器信号进行读取，生成电机控制信号，输出到执行机构模块。

■2.2 多旋翼无人机软件系统设计

多旋翼无人机控制软件系统主要作用在于操作者通过对于源代码的编写，将软件语言落实到硬件系统中，使无人机完成相应操作。在对软件系统进行设计过程中，要划分为主机系统与从机系统，由主机系统来完成数据的采集、控制以及通信等操作，由从机系统来完成数据读写与算法。

2.2.1 OS/II 移植

OS/II 移植的主要作用在于确保处理器与内核之间相连接，从而完成内核所下达的任务。在对OS/II 内核代码的编写过程中，主要应用C语言对部分有关代码进行编写，确保处理器能够对编写语言进行识别。OS/II 移植主要是以硬件作为前提条件，所以会受到一定条件的限制，所以在对

控制

IB控制所需的各项参数进行掌握，根据控制器的表达状况来对输出进行控制。

2.2.3 自动返航控制

通过自动返航软件系统，能够实现多旋翼无人机在GPS的辅助下降落到起飞点，一般情况下，无人机的工作环境比较复杂，工作性质存在一定的不可预知性，所以必须对返航策略进行设定，通过遥控器对返航策略进行激活，实现无人机沿设定的路线进行返航。

3 结束语

多旋翼无人机与传统的无人机类别相比，在实际运用中比较显著的优势在于能够垂直起落以及空中悬浮，所以比较适用于空间范围有限或者危险的环境下执行任务。正是由于多旋翼无人机在实际应用中的低危险与高效率，才推动了多旋翼无人机的快速发展。多旋翼无人机的飞行控制系统开发会涉及现代化的相关先进技术，在后续的研究设计中，需要进一步对飞控系统的软件功能进行完善，开发更加先进的控制算法，确保飞行控制系统的安全性、可靠性以及功能丰富性。参考文献

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图2 飞控系统硬件平台

28 | 电子制作 2019年05月