CN105974935B

CN105974935B - 一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法

Info

Publication number: CN105974935B
Application number: CN201610554163.3A
Authority: CN
Inventors: 乔印虎; 翁新宇; 汤永山; 徐鹏
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2019-10-29
Anticipated expiration: 2036-07-14
Also published as: CN105974935A

Abstract

本发明公开了一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法。其中，所述控制方法包括：通过惯性测量单元获取所述四旋翼农用遥控飞行器的三个维度的姿态角以及位移量，作为双环控制器的输入量；使用位置控制环和姿态控制环的双环控制器进行控制；其中，四旋翼农用遥控飞行器的位置控制作为外环，其姿态控制作为外环；基于所述位置控制环的运算输出量，通过解耦合计算获得姿态角作为姿态控制环的输入量；每个控制环中使用经典PID控制算法进行控制。在动力学飞行分析等基础上，提出了基于多传感器融合的姿态控制方法，实现对于四轴飞行器的姿态控制。这一四旋翼农用遥控飞行器，具有较强的实用价值，能够很好的减少劳动强度。

Description

一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法

技术领域

本发明涉及四旋翼遥控飞行器技术领域，尤其涉及一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法。

背景技术

尽管有早期的原型机存在取得了一定的成果，但四轴飞行器相对于传统布局的飞行器在性能与规格上（航程、速度、有效载荷等）不具备任何优势。因此在整个 20 世纪几乎没有生产厂商对四轴飞行器表示出开发与生产的兴趣。

但是近年来，随着新材料科技、MEMS 等一些学科的蓬勃发展，小型四轴飞行器的开发和研制又出现了新的方法，也使得四轴飞行器的研究有了新的方向。特别是小型四轴飞行器应用于无人机研究时存在的极具潜力的价值和前景，更使其在近年来引起了越来越许多研究者的注意。

四轴飞行器是一个具有 6 个自由度(3 个位置量与 3 个姿态量)，但是只有 4个控制输入量(4 个旋翼的转速)，是一个欠驱动***(Under actuated System)，并且具有强耦合、非线性和干扰敏感的特性。这样使得飞行控制***的设计非常困难。

另外，不能建立精确的动力学模型也使得控制器性能大打折扣。飞行器姿态控制是整个飞行控制的核心。然而由于飞行器的俯仰或者横滚运动必然直接引起机体向前后或者左右移动，使得其姿态与位置之间存在着直接的耦合关系。这种耦合关系也为飞行器位置与姿态的控制带来了很大的困难。

国际上有许多相关研究重进行了姿态控制器的设计与验证，其结果表明：在准确的模型基础上，可以针对位置和姿态控制进行非线性控制器设计，能够得到很好的仿真效果。但由于模型的准确性很难保证，因此其实际控制效果反而不如 PID 控制。

随着现代控制理论的发展，越来越多的学者将现代控制的思想引入到四轴飞行器的控制方法研究中来。如东京工业大学利用模糊控制的方法，设计一套控制器，通过飞行员的知识获取模糊规则，在模型为的情况实现了飞行器的控制；斯坦福大学与加州伯克利基于知识控制，采用强化学习的方法实现飞行器悬停的控制；也有研究人员将鲁棒控制的思想引入四轴飞行器的控制器设计，应对不确定性也取得了一定的研究成果。

滑膜控制、鲁棒控制和模糊控制均具有处理不确定和抗干扰较强的特点，对于模型的精确度要求不高，但算法复杂；非线性控制能够实现鲁棒性强、跟踪性能好的控制算法，但对模型精确度以来较高，在实际运用中难以实现。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法，旨在解决现有技术中四轴飞行器飞行姿态控制困难的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其中，所述控制方法包括：

通过惯性测量单元获取所述四旋翼农用遥控飞行器的三个维度的姿态角以及位移量，作为双环控制器的输入量；

使用位置控制环和姿态控制环的双环控制器进行控制；其中，四旋翼农用遥控飞行器的位置控制作为外环，其姿态控制作为外环；

基于所述位置控制环的运算输出量，通过解耦合计算获得姿态角作为姿态控制环的输入量；

每个控制环中使用经典PID控制算法进行控制。

所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其中，所述惯性测量单元由三个单轴电子式陀螺仪传感器和一个三轴重力加速度传感器组成。

所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其中，所述方法还包括：

通过所述单轴电子式陀螺仪传感器获取每一个维度方向上的角速度信息；

对所述角速度信息进行积分获得每个采样间隔中，维度方向上转过的角度；

使用旋转矩阵与上一姿态角计算获得下一姿态角。

所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其中，当所述四旋翼农用遥控飞行器低速飞行或者处于静态时，单独使用所述三轴重力加速度传感器获取三个维度方向上的加速度信息；

对所述加速度信息进行规格化处理后，进行反三角变换获得姿态角。

使用加权平均的方法对单轴电子式陀螺仪传感器及三轴重力加速度传感器获取的数据进行数据融合；

其中，在加权平均前，对单轴电子式陀螺仪传感器获取的数据进行低通滤波；对三轴重力加速度传感器获取的数据进行高通滤波。

所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其中，所述双环控制器的输入量为 (x , y ,z,)，输出量为(,, , ) ；

其中，x，y，z为三个维度的位移量，，，为三个维度的姿态角，, , , 分别为四个旋翼的期望升力；

位移量与姿态角之间的耦合关系如下式所示：。

一种四旋翼农用遥控飞行器，包括呈十字形交叉设置的四根主轴，每一主轴端点分别设置有旋翼；驱动旋翼旋转的调速电机以及提供能量的电池组；

四个旋翼位于同一水平面，机身平台设置于所述主轴交叉处，其中，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括惯性测量单元以及微控制器；

所述微控制器应用如权利要求1-6任一所述的控制方法控制所述四旋翼农用遥控飞行器。

所述的四旋翼农用遥控飞行器，其中，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括一无线通信模块，接收用户遥控控制指令。

所述的四旋翼农用遥控飞行器，其中，所述主轴采用3K碳纤维材料制成。

所述的四旋翼农用遥控飞行器，其中，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括设置于机身平台下的搭载平台；所述搭载平台包括：用于存储农药的药箱，与所述药箱连接的喷射部件，提供预定压力的活塞泵以及提供固定位的机架；所述药箱、活塞泵和喷射部件依次连接，均固定在所述机架上。

有益效果：本发明提供的一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法，在动力学飞行分析等基础上，提出了基于多传感器融合的姿态控制方法，实现对于四轴飞行器的姿态控制。而且，提供了一种实用的四旋翼农用遥控飞行器，具有较强的实用价值，能够减少劳动强度，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法的方法流程图。

图2为本发明具体实施例的飞行控制器的整体控制结构图。

图3为本发明具体实施例的双环控制器的控制结构图。

图4为本发明具体实施例的双环控制器的位置控制环的控制结构图。

图5为本发明具体实施例的双环控制器的姿态控制环的控制结构图

图6为本发明具体实施例的四旋翼农用遥控飞行器的ENC-03M 的处理电路图。

图7为本发明具体实施例的四旋翼农用遥控飞行器的结构图。

图8为本发明具体实施例的四旋翼农用遥控飞行器的框图。

图9为本发明调试实例的传感器数据统计表数据。

具体实施方式

本发明提供一种四旋翼农用遥控飞行器及其控制方法。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

通过对于飞行器的动力学分析，四轴飞行器在实现俯仰或者横滚的转动时，机身同时会产生一定的前后或者左右的平动，亦即位置与姿态之间存在的强耦合关系。

在四轴飞行器的控制过程中，依据对旋翼转速的控制，可以将四只旋翼分为两组，旋翼 1 与旋翼 3 为一组，旋翼 2 与旋翼 4 为一组。其控制规律如下表所示。

	旋翼1	旋翼2	旋翼3	旋翼4
					升降	+（-）	+（-）	+（-）	+（-）
俯仰/前后	+（-）	0	-（+）	0
					横滚/左右	0	+(-)	0	(-)+
偏航	(+)-	(-)+	+(-)	-(-)

其中，“+”代表增加转速，“-”代表降低转速，“0”表示不调整，括号中为反方向调节的控制。

以下以上述控制原理为基础，详细论述所述飞行器的控制方法。在数学模型方程中，使用加速度方程和角加速度方程来描述四轴飞行器的位置与姿态角，因此飞行控制器算法需要完成对位置和姿态角的控制。其整体控制结构如图 2所示。

如图1所示，为本发明具体实施例的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法。所述控制方法包括：

S100、通过惯性测量单元获取所述四旋翼农用遥控飞行器的三个维度的姿态角以及位移量，作为双环控制器的输入量。

通过飞行器惯性测量单（IMU 单元）可以解算出飞行器三个维度的姿态角度，对加速度传感器进行积分可以得到飞行器三个维度的加速度。在设计飞行控制器控制算法时就是以这 6 个量作为输入变量，而输出变量为受控对象的输出量。如前所述，上述输入变量之间存在一定的耦合关系，横滚(俯仰)所引起的飞行器行为动作必然引起侧飞(前后)运动。因此要充分考虑这种耦合关系，而不能单独对 6个输入变量进行单独控制

S200、使用位置控制环和姿态控制环的双环控制器进行控制。其中，四旋翼农用遥控飞行器的位置控制作为外环，其姿态控制作为外环。而每个控制环中均使用经典PID控制算法进行控制。

从总体结构上看，飞行器的控制可分为位置位移的控制与自身姿态的控制。这两部分中，位置位移的控制一定程度上决定于姿态，因此控制器可以设计采用双环控制的策略，将位置控制作为外环，姿态控制作为内环。

而PID 算法是由比例单元(P)，积分单元(I)，微分单元(D)组成的，各个单元基于误差进行计算。具有结构简单、易于实现、适用范围广、鲁棒性好等特性。PID 控制是工程技术人员使用最多最为熟悉的控制算法，也是目前工业控制领域中应用最为广泛的算法，其还可以针对不同的控制对象，提出不同的变型。

S300、基于所述位置控制环的运算输出量，通过解耦合计算获得姿态角作为姿态控制环的输入量。

如图3所示，为所述双环控制的具体实施例的结构示意图。其具体控制方式阐述如下：整个飞行控制器的输入为四元组 (x , y , z , )，控制器的输出为四元组(, , , )，分别与四旋翼电机对应。

关于位置控制：

位置控制的控制量包括（x，y ，z） 3 个位移变量。因此，可以设计 3 个独立的PID 控制器进行 3 个通道的位置控制。三个通道的控制器对应的输出分别为，，。有如下算式：

== （1）

进一步的，可得

（2）

算式（2）反映了姿态与位置之间的耦合关系，可以通过耦合解算得到，，，其中，，与输入四元组中的作为姿态控制环的输入。

如图4所示，为所述位置控制环的结构图。

关于姿态控制：

姿态控制被控量为 3 轴姿态角度，，。因此，分别设计 3 个独立的 PID 控制器，其控制器输出分别，，

有如下算式：

（3）

进一步的，由算式（3）可得：

（4）

可调整 PID 控制器的参数，使其包含项，则姿态控制回路的最终输出为，其控制结构图如图5所示。

上述控制器的最终输出u 对应的是期望的旋翼升力关系，可以进一步的通过旋翼升力求得对应旋翼的转速，实现对相应电机的控制。

由如下算式：

== （5）

进一步的，可以求解得：

= （6）

通过算式（6）可以获得四轴飞行器的各旋翼期望转速，即对应每个电机的期望转速。由微控制器将此期望转速转化为对应的无刷直流电机电子调速器的转速信号，电子调速器将此信号转化为电机的转速从而完成整个控制回路。

在本发明的具体实施例中，所述惯性测量单元（IMU单元）由三个单轴电子式陀螺仪传感器和一个三轴重力加速度传感器组成。在本实施例中，采用MMA7260QT作为加速器传感器，其具有灵敏度可选，低功耗，高稳定性等特点。MMA7260QT的灵敏度可以通过 g-Select1 与 g-Select2配置，有 1.5G，2G，4G，6G 四种选择，在本实施例中选择 2G 的灵敏度。

这一传感器的输出信号为与加速度相关的模拟电压信号，通过微控制器中的 ADC模块进行采样与转换得到相应的测量值。

另外，使用3 片 ENC-03M 组成一个 3 轴电子陀螺仪传感器模块，用于测量三个轴向的角度。在最终的电路板上，三片传感器呈两两垂直的角度，沿空间坐标系的三个轴向安装。对于每一片 ENC-03M 的处理电路具体如图6所示。

在飞行器的控制器设计中，其稳定性依赖于输入变量（即姿态角和位移）的准确性。以下详细陈述对于姿态角的求解过程的具体实例：

首先，通过所述单轴电子式陀螺仪传感器获取每一个维度方向上的角速度信息。然后，对所述角速度信息进行积分获得每个采样间隔中，维度方向上转过的角度。最后，使用旋转矩阵与上一姿态角计算获得下一姿态角。

采用这样的姿态角求解方式，能够很好的保证姿态测量性能。

进一步的，当所述四旋翼农用遥控飞行器低速飞行或者处于静态时，采用如下方式：单独使用所述三轴重力加速度传感器获取三个维度方向上的加速度信息。然后，对所述加速度信息进行规格化处理后，进行反三角变换获得姿态角。

较佳的是，所述方法还包括：使用加权平均的方法对单轴电子式陀螺仪传感器及三轴重力加速度传感器获取的数据进行数据融合。

对于多种传感器的姿态角融合的算法有很多，常用的有卡尔曼滤波器，加权平均法等等。卡尔曼滤波器考虑到了***噪声和测量噪声的影响，能在噪声环境下和***模型不太确定的情况下得到精确的状态变量估计，通常能够得到最优解，但是结构较为复杂。而直接使用加权平均法，没有考虑到***模型的影响，融合效果较差。

针对两种传感器特性（重力加速度传感器的静态响应良好，其输出不会随时间发生漂移，不存在累积误差，但是动态响应较差；电子式陀螺仪传感器动态响应好，但容易出现温漂，随时间的推移会出现累积误差），使用上述方法可以最大可能的滤掉环境对传感器数据的干扰，提高测量的稳定性和动静态性能。

如图7所示，本发明还提供了一种四旋翼农用遥控飞行器。其包括呈十字形交叉设置的四根主轴100，每一主轴端点分别设置有旋翼200以及驱动旋翼旋转的调速电机300以及提供能量的电池组。所述调速电机具体可以采用现有技术中合适的电机，在本实施例中使用恒力Q9XL内转子无刷直流电机。

四个旋翼位于同一水平面，机身平台设置于所述主轴交叉处。如图8所示，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括惯性测量单元20以及微控制器10。所述微控制器10应用如上所述的控制方法进行控制。

具体的，由于在上述控制方法中，传感器电信号的采样、转换，信号数据的融合，以及控制器的运算都通过微控制器的 CPU 及其外设实现。其工作时需要大量的运算，尤其在IMU 运算与控制算法运算时，会涉及到大量的矩阵与乘除法运算。另外，飞行控制器中的各种模块需要不同的接口与外设进行采样，如电池监测与 IMU 采样需要使用 A/D 转换单元，空气高度传感器需要使用 I2C 总线进行数据通信。而且需要在达到飞行控制***控制性能要求的前提下，综合满足其重量、体积、功耗和成本的需求，结合上述要求（外设、引脚等），较佳的选择使用STM32F103RCT6作为微控制器。

较佳的是，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括一无线通信模块30，接收用户遥控控制指令。具体可以选用工作在 2.4GHz 频段的 NRF2401 模块。其核心为NRF2401芯片，最高工作速率达 2Mbps，125 频道满足多点通信和跳频通信需要，体积小巧，高效 GFSK 调制，抗干扰能力强。

在本实施例中，采用 NRF2401 模块实现无线通信，在 PC 机上实现地面控制站，在前期调试阶段使用无线通信将飞行控制器运行过程中的各种参数发送给计算机，进行分析处理。在飞行器飞行过程中也可以将飞行轨迹与姿态数据等关键数据传输给 PC 机，并且能够通过 PC 机给飞行器发送特定的命令实现飞行监控功能。

当然，由于 NRF2401 模块工作于 2.4GHz 频段，其射频信号方向性较强，导致在四轴飞行器飞行距离较远且处于某些特定的姿态时，数据传输丢包率较高，因此不适合远距离的控制。因此，还可以在飞行器上配备航模专用遥控器可以对飞行器进行手动控制，实现飞行器的受控飞行，进行飞行器远程实时控制。

进一步的，为了让地面操作人员能够更好地跟踪飞行器的轨迹与飞行姿态，还可以采用标示 LED 的方法，在四轴飞行器的四根主轴上安装颜色不同的 LED 条以供地面操控人员识别。

使用中，四种 LED可以采用不同颜色 LED 条，安装时将其分别固定于四个主轴臂下方， LED-BIG 连接到如图8所示的微控制器的 PWM 控制接口，利用 PWM 功能进行LED 的亮度调节。

在本发明的具体实施中，如图7所示，可以包括机身和设置在机身下部的搭载平台两大部分。所述搭载平台可以包括：用于存储农药的药箱400，与所述药箱连接的喷射部件500，提供预定压力的活塞泵以及提供固定位的机架600；所述药箱、活塞泵和喷射部件依次连接，均固定在所述机架上。

其中，药箱可以是一个圆柱筒，上端靠边缘处设计了加液口（还可以内置过滤网、带有小孔的盖子等），下端安装有压力传感器和泄液出端，并在上中下部位安有密度传感器。

当液泵工作时，箱体的药液便可以通过进液管源源不断进入液泵中，同时，压力传感器就将箱体内药液产生的压力数据传输给接收端，便于获知箱体内药液的剩余量。

活塞泵用来提供一定压力和流量的液体到喷洒部件中去。它用卡箍固定在药箱顶部，通过电动驱动液泵工作。工作时，通过电子操纵控制装置操纵活门做动筒运动，使出液活门打开或关闭，控制液泵出来的药液通过出液管送到喷洒部件。

其具体结构设计可以依据实际的使用情况等所决定，并非本发明的重点，在此不作赘述。

所述主轴采用3K碳纤维材料制成。使用碳纤维具有抗疲劳，高强度，重量轻等优点。通过轴向拉伸与压缩、剪切方向等的校验，使用碳纤维能够满足强度要求。

在本发明的具体实施例中，四轴飞行器各个部件的数据如下：

通过各项重量参数得到重量范围：

空载：25KG；最大起飞重量：40KG；有效载荷：0~10KG（主要为农药重量）。

调试实例：

为简化调试过程，便于分析调试结果，还可以使用上位机软件进行数据采集、监控与分析，在紧急情况下还兼具地面控制站的作用。上位机与飞行控制器之间采用 NRF2401模块，使用自定义的无线通信协议与飞行控制器之间进行数据与指令的交换。

上位机使用微软的 Microsoft Visual Studio 2010 集成开发环境作为开发工具，使用C#语言编码实现。

上位机软件实现对四轴飞行器飞行数据记录与分析，记录了四轴飞行器各传感器数据的记录，可以进行电机转速的单独控制与调试。能够进行 PID 参数设置与控制通道模拟。

调试过程中，固定飞行器的姿态，使其只保留一个方向的自由度，测试该方向上姿态控制算法性能。

在实验中固定飞行器，使飞行器只能沿其载体坐标系 Y 轴旋转，使用上位机软件采集其传感器数据。实验中采集 5050组数据，采样间隔为 1ms，利用 Excel 软件对所采集数据绘制图表。结果如图9表所示：其中，横轴表示采样时刻，纵轴表示角度值，虚线表示设定角度，实线表示实测角度。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

使用位置控制环和姿态控制环的双环控制器进行控制；其中，四旋翼农用遥控飞行器的位置控制作为外环，其姿态控制作为内环；

基于所述位置控制环的运算输出量，通过解耦合计算获得姿态角作为姿态控制环的输入量；每个控制环中使用经典PID控制算法进行控制；

所述惯性测量单元由三个单轴电子式陀螺仪传感器和一个三轴重力加速度传感器组成；

其中，所述基于所述位置控制环的运算输出量，通过解耦合计算获得姿态角作为姿态控制环的输入量，每个控制环中使用经典PID控制算法进行控制；

具体步骤如下：

假设整个飞行控制器的输入为四元组(x,y,z,ψ)，控制器的输出为四元组(u₁,u₂,u₃,u₄)，分别与四旋翼电机对应；

关于位置控制：

位置控制的控制量包括(x，y，z)三个位移变量，设计三个独立的PID控制器进行三个通道的位置控制，三个通道的控制器对应的输出分别为则有如下算式：

进一步的，得

算式(2)反映了姿态与位置之间的耦合关系，通过耦合解算得到u₁，θ，φ，其中，θ，φ与输入四元组中的ψ作为姿态控制环的输入；

关于姿态控制：

姿态控制被控量为三轴姿态角度θ，φ，ψ，则分别设计三个独立的PID控制器，其控制器输出分别

有如下算式：

进一步的，由算式(3)可得：

调整PID控制器的参数，使其包含I_θ，I_ψ项，则姿态控制回路的最终输出为u₂，u₃，u₄；

上述控制器的最终输出u对应的是期望的旋翼升力关系，进一步的通过旋翼升力求得对应旋翼的转速，实现对相应电机的控制；

由如下算式：

进一步的，求解得：

通过算式(6)获得四轴飞行器的各旋翼期望转速，即对应每个电机的期望转速；

由微控制器将此期望转速转化为对应的无刷直流电机电子调速器的转速信号，电子调速器将此信号转化为电机的转速从而完成整个控制回路。

2.根据权利要求1所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

使用旋转矩阵与上一姿态角计算获得下一姿态角。

3.根据权利要求1所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其特征在于，当所述四旋翼农用遥控飞行器低速飞行或者处于静态时，单独使用所述三轴重力加速度传感器获取三个维度方向上的加速度信息；

4.根据权利要求1所述的四旋翼农用遥控飞行器的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

5.一种四旋翼农用遥控飞行器，包括呈十字形交叉设置的四根主轴，每一主轴端点分别设置有旋翼；驱动旋翼旋转的调速电机以及提供能量的电池组；

四个旋翼位于同一水平面，机身平台设置于所述主轴交叉处，其特征在于，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括惯性测量单元以及微控制器；

所述微控制器应用如权利要求1-4任一所述的控制方法控制所述四旋翼农用遥控飞行器。

6.根据权利要求5所述的四旋翼农用遥控飞行器，其特征在于，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括一无线通信模块，接收用户遥控控制指令。

7.根据权利要求5所述的四旋翼农用遥控飞行器，其特征在于，所述主轴采用3K碳纤维材料制成。

8.根据权利要求5所述的四旋翼农用遥控飞行器，其特征在于，所述四旋翼农用遥控飞行器还包括设置于机身平台下的搭载平台；

所述搭载平台包括：用于存储农药的药箱，与所述药箱连接的喷射部件，提供预定压力的活塞泵以及提供固定位的机架；所述药箱、活塞泵和喷射部件依次连接，均固定在所述机架上。