四旋翼无人机

微小型四旋翼无人机实时嵌入式控制系统设计与实现

来源：《电子技术应用》作者：发表时间：2010-07-16 21:54:55 摘要：在四旋翼无人机飞行模式分析基础上，提出了一种四旋翼无人机的稳定姿态导航控制系统，改进了无刷电机控制驱动器，并应用多任务编程方案实现软件设计。实验表明，该机载嵌入式系统具有可靠

性高、功耗低、重量轻、成本低等优点。

关键词：四旋翼；无人航空器；嵌入式系统；无刷电机驱动器

随着微机电系统技术在国防、军工、民用等各方面的广泛应用，飞行器的小型化和信息化的进程不断

加速，这使得具有广泛用途的无人航空器UAV(Unmanned Aerial Vehicles)研制成为许多国家的研究热点。微小型旋翼无人机具有使用灵活、体积小、成本低等特点，是无人机发展的主要类型之一，它可以完成超

低空侦察、干扰、监视等各种复杂的任务。无人机的核心部分是导航控制系统，要求具有高可靠性和高抗

干扰能力。按照项目要求，本文设计的导航控制系统具有飞行姿态测量、控制、增稳、视频监控等各种功能。

1 四旋翼无人机飞行模式分析

由于微型无人机飞行姿态多变，为了增大无人直升机的带载能力，该无人机采用了四旋翼的机械结构，通过机载导航系统控制使其各旋翼之间协调运动，实现四旋翼无人机的飞行姿态自动调整，可按要求完成

垂直起落控制、空中悬停控制、偏航控制、滚转控制、俯仰控制等多种动作及任务。四旋翼无人机在各种

结构特征参数确定的情况下，通过改变旋翼转速来改变拉力。四旋翼飞行器结构简图及受力分析如图1所示。

四旋翼无人机是在改变旋翼拉力与自身重力间关系的基础上实现各种飞行姿态的变化。每个旋翼的空

气动力学拉力f dragi(i=1，2，3，4)的数学表达式为：

式(1)中：ρ为空气密度，C T为拉力系数，A i为第i个旋翼桨盘面积，W i为第i个旋翼电机旋转速度，R i为第i个旋翼桨叶片长。在四旋翼无人机设计中，四旋翼采用相同的电机与相同材质及相同大小的桨叶片，可近似把A i、C T、R i看作一常量，则式(1)可简化为：

其中：k dragi>0为依赖于空气密度的常数，ωi为第i个电机旋转角速度。由式(2)可见，通过给定PWM信号

控制电机驱动器控制四翼电机的转速，从而实现对四旋翼电机拉力的控制，完成整个飞行器的动作。

在地球惯性坐标系R W=(E x，E y，E z)与机载坐标系ξ=(x，y，z)下，以电机M1方向为前方，旋翼电机

M1与M3逆时钟方向旋转，旋翼电机M2与M4顺时钟方向旋转；Ψ为飞行器偏航角，θ为飞行器滚动角，

φ为飞行器俯仰角。在图中f1、f2、f3、f4分别为四旋翼旋转产生的向上拉力矢量，(i=1，2，3，4)为第i个电机为克服电机转轴叶片拉力与加速度而产生的反作用力矩，mg为飞行器合重力矢量，L是从电机轴到四旋翼飞行器重心轴的垂直距离，则四旋翼飞行器总合力矢量u、偏航力矩τΨ、滚动力矩τθ和俯仰力矩τφ为：

由式(3)可知，如果四旋翼旋转产生的合拉力与飞行器自身重力相等，即u=0时，飞行器在空中悬停；当u>0时，飞行器上升；u<0时，飞行器下降。在保持拉力f2与f4不变条件下，通过控制合力f1-f3差的大小，飞行器可进行俯仰飞行(前进与后退)控制。当保持拉力f1与f3不变条件下，通过控制合力f2-f4差的大小，飞行器可进行滚转(左右)飞行；而通过控制偏航力矩τΨ大小，飞行器可进行偏航飞行控制。

2 四旋翼无人机控制系统构架与硬件设计

机载控制系统集成了微型陀螺仪、加速度传感器、大气气压传感器、电机转子转速测量单元和GPS接收单元。整个控制系统采用飞思卡尔公司(Freescale)生产的32位微控制器MCF51QE128完成对各种传感器数据的采集、处理运算、飞行姿态稳定控制和任务控制等功能，使机载控制系统根据控制算法处理结果输出四路PWM信号控制电机转速，以实现自动调节四旋翼旋转力矩来稳定无人机的飞行姿态。整个四旋翼无人机导航控制系统结构框图如图2所示，其主要分为无人机机载控制部分和无人机地面控制部分。

无人机机载控制部分主要由控制系统核心模块、惯性测量单元模块IMU(Inertial Measurement Unit)、压力传感器模块、无线部分（无线控制信号接收模块、无线数据传输模块、全球定位系统模块、无线视频传输模块）、电机控制部分（电机驱动控制模块、电机转子转速测量模块）以及红外距离传感器模块等组成。控制系统核心模块主要由微控制器最小系统和高精密供电电源部分组成。微控制器最小系统由32位微控制器及其相关附属电路组成；精密电源为数模转换器(A/D)、各种测量传感器等提供高精度的电源，其目的是为了稳定供电电压、提高电路的抗干扰能力和减小电压不稳造成的测量误差。其系统无线部分由低功耗、低成本的Xbee-PRO无线射频模块、6通道FLY100C控制信号接收模块和无线视频传输模块组成。实时与地面控制系统交换信息，接收地面控制系统传输的飞行控制指令信号、向地面控制系统发送当前无人机实时飞行和姿态数据等相应信息、发送机载的实时采集视频信息，以完成指定的飞行控制任务。

2.1 惯性测量单元

采用美国AD公司基于微电子机械系统(iMEMS)技术的结构简单、体积小、重量轻、成本低的三个绝对值单轴陀螺传感器ADXRS613和一个两轴加速度传感器ADXL203组成了IMU惯性测量单元，用于检测无人机的角速度变化与角加速度的变化。根据检测到的角速度传感器值和加速度传感器值，利用滤波器进行积分及补偿运算估计解算得到姿态角，减小单一利用陀螺测量造成的累积误差，从而使控制系统实现可靠四旋翼无人机的姿态控制。

利用陀螺传感器在测量角速度时具有良好高频的特性和加速度传感器在测量角位移时良好低频的特性，采用滤波器（互补滤波器、卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器）进行积分及补偿运算估计的方法解算获得所需的姿态角。在无人飞行器实际控制中，尽可能降低延时对控制系统的影响。由于互补滤波器容易实现，且不易引入较大的延时误差，因此适合于该系统的应用。系统所采用的互补滤波器原理结构图如图