CN115167495A - 一种基于32单片机的双闭环串级pid四旋翼飞行器 - Google Patents
一种基于32单片机的双闭环串级pid四旋翼飞行器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，包括主控芯片、四路电机驱动模块、供电模块、***电路模块、传感器模块、ESP‑F模块、OpenMV扩展电路模块，传感器模块采集数据后发送至主控芯片进行姿态解算和姿态控制，通过将陀螺仪采集出来的角速度与四元数建立关系，进行导航坐标系向机体坐标系的转换，结合Mahony互补滤波算法，利用加速度计对陀螺仪数据进行校准，计算出姿态角，获取四轴的姿态信息，最终采用角度和角速度的双闭环串级PID控制，实现飞行器姿态精准的控制。本飞行器能够平稳地飞行，以解决现有四旋翼飞行器控制设计和实现复杂度高的问题。
Description
技术领域
本发明主要涉及四旋翼飞行器相关技术领域，具体是一种基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器。
背景技术
近年来，有关无人机的话题已成为社会和科技领域的热点，无论是在军用领域还是民用领域，无人机的应用都极为广泛。其实，最早的无人机出现在一战的战场上，士兵们用它来侦查敌情和获取情报，但由于其庞大的体积和笨重的机械结构，并没有得到广泛的应用。但随着科技的发展和进步，无人机开始逐步走向大众视野，尤其是多旋翼无人机，它轻便的身材以及“到手即飞”的特点使得多旋翼在航空摄影、航模飞行、森林护养、消防救灾、农业等领域大放异彩。多旋翼无人机中最常见的便是四旋翼无人机，它有着“体积小”、“机动性好”、“操作简单”等优点，因此在很多领域都可以见到四旋翼无人机的身影。
四旋翼飞行器的设计难度主要体现在模型建立、控制器设计、通信传输等方面。在模型建立方面，小型四旋翼飞行器的运动涉及到三个坐标轴上的转动，即俯仰角，横滚角和偏航角，同时又涉及到三个坐标轴上的移动，共包含六个自由度，所以精确建立四旋翼飞行器的模型比较困难，尤其是坐标的转换问题；在控制器设计方面，控制***由四个带旋翼的电机组成，是一个欠驱动***。实际上，由于外界干扰因素，四个电机的转速很难达到一致，这就造成了开环***下，飞行器会产生偏移，因而飞行控制***的设计有着较大的难度。
发明内容
为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，本飞行器能够平稳地飞行，以解决现有四旋翼飞行器控制设计和实现复杂度高的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，包括主控芯片、四路电机驱动模块、供电模块、***电路模块、传感器模块、ESP-F模块、OpenMV扩展电路模块，所述传感器模块包括3轴陀螺仪、3轴加速度计以及3轴磁力计，3轴陀螺仪用于测量旋转角速度，3轴加速度计用于测量加速度，4轴磁力计用于测量旋转角度，传感器模块采集数据后发送至主控芯片进行姿态解算和姿态控制，通过将陀螺仪采集出来的角速度与四元数建立关系，进行导航坐标系向机体坐标系的转换，结合Mahony互补滤波算法，利用加速度计对陀螺仪数据进行校准，计算出姿态角，获取四轴的姿态信息，最终采用角度和角速度的双闭环串级PID控制，实现飞行器姿态精准的控制。
进一步，所述的导航坐标系是以飞行器起飞位置为坐标原点，导航坐标系不会随着飞行器的移动而移动，所述的机体坐标系与飞行器机体固连，原点选取在机体的重心位置，取绕z轴旋转的角度为偏航角α，绕x轴旋转的角度为横滚角β，绕y轴旋转的角度为俯仰角γ。
进一步，四元数理论如下:
Q(q0,q1,q2,q3)＝q0+q1i+q2j+q3k
其中，q0、q1、q2、q3是实数，i、j、k既是互相正交的单位向量，也是单位虚数
四元数既可以看作四维空间的一个向量，又可看作一个超复数，由此可得导航坐标系到机体坐标系的坐标变换矩阵：
进而可得：
β＝arcsin[2(q2q3+q0q1)],
进一步，Mahony互补滤波算法如下：
其中，
是当前四元数，
是上个周期的四元数，Δt是计算周期，角速度数据(wx、wy、wz)可由陀螺仪测出，并通过加速度计对陀螺仪数据进行校准。
进一步，陀螺仪数据校准方法为：基于陀螺仪的角速度数据结合四元数推导出机体的理论重力加速度，基于加速度计测量的加速度获取机体实际重力加速度，将理论重力加速度、实际重力加速度向量叉积获取误差，并将误差补偿至陀螺仪角速度。
进一步，双闭环串级PID控制策略中，参数调节流程如下：
(1)估计大概起飞油门；
(2)调整角速度内环参数；
(3)将角速度外环加上，调整外环参数；
(4)横滚角和俯仰角参数可取一致；
(5)大概设置偏航参数，观察横滚和俯仰轴打舵的反应；
(6)若横滚和俯仰不稳定，继续调节参数直至稳定为止；
(7)横滚和俯仰调整完后，再调整偏航轴参数以达到好的动态效果。
进一步，飞行器还包括LED灯控制模块，用于对飞行器上LED灯以及RGB全彩灯实现控制。
本发明的有益效果：
1、本发明在模型建立方面，小型四旋翼飞行器的运动涉及到三个坐标轴上的转动，即俯仰角，横滚角和偏航角，同时又涉及到三个坐标轴上的移动，共包含六个自由度，本设计利用四元数、欧拉角和方向余弦的关系可以精确建立四旋翼飞行器的模型。
2、本发明中，控制***由四个带旋翼的电机组成，是一个欠驱动***，实际上，由于外界干扰因素，四个电机的转速很难达到一致，这就造成了开环***下，飞行器会产生偏移，本设计采用双闭环串级PID控制，并融入了人滤波互补算法和及逆行了传感器数据的融合，达到精准的控制效果。
附图说明
图1为本发明的硬件设计总体框图；
图2为本发明MCU最小***电路图；
图3为本发明LED灯驱动电路图；
图4为本发明四路电机驱动电路图；
图5为本发明飞行器供电电路图；
图6为本发明SI24R1***电路图；
图7为本发明传感器电路图；
图8为本发明ESP-F模块电路图；
图9为本发明OpenMV模块电路图；
图10为导航坐标系；
图11为机体坐标系；
图12为本发明加速度计校准陀螺仪；
图13为本发明双闭环串级PID控制框图。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
如图1-13所示，为本发明实施例所提供的一种基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器相关电路和原理示意图。
本实施例中，设计从硬件电路板到飞控算法，实现四旋翼飞行器的稳定飞行。
本实施例在硬件上，采用STM32F411CCU6作为主控芯片，核心电路板上集成了最小***、供电电路、LED控制电路、传感器、四路电机驱动、WIFI通讯、遥控通讯、OpenMV扩展电路这八个模块。在确保硬件电路可以正常工作的前提下，选用双闭环串级PID控制作为控制姿态的核心算法。
姿态解算包括坐标系的建立、Mahony互补滤波算法以及传感器数据的融合。首先需要利用四元数和欧拉角、方向余弦之间的关系，进行导航坐标系向机体坐标系的转换，其次结合Mahony互补滤波算法，利用加速度计和磁力计对陀螺仪数据进行校准。在导航坐标系和机体坐标系上建立空气动力学模型，通过将陀螺仪采集出来的角速度与四元数建立关系，并计算出姿态角，从而获取四轴的姿态信息。
由于外界干扰因素，四个电机的转速很难达到一致，这就造成了开环***下，飞行器会产生偏移，因此要引入反馈量实现闭环控制。本设计最终采用双闭环串级PID控制策略，同时对角度和角速度进行PID控制。角速度环也称为串级控制***的副回路，***由于副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次干扰，有效减少了二次干扰对姿态角的影响。而且相较于单闭环PID控制，***的总放大系数增加从而抗干扰性能和控制效果都比单闭环***有显著的提升。
与传统双闭环串级PID控制相比，四轴飞行器的PID控制器上加入了积分分离环节，这是因为实际姿态解算出来的角度具有一定误差；如果在解锁PID控制器时就开始运算积分环节，误差将会一直积累，由于采样时间很短，因此在短时间内误差就会累加到一定值，最后造成起飞时误差很大，导致控制器过调甚至飞行器失衡的问题，而加入积分分离环节可以很好地避免这一现象。
本飞行器可在Keil软件上编写程序代码实现各个外设模块的功能，实现飞行器对姿态角的双闭环串级PID控制，通过飞行器上的WIFI模块与电脑通讯可在匿名上位机上对四旋翼的PID参数进行无线整定。
对于本飞行器的各硬件电路部分，其具体如下：
1)STM32F411CCU6为主控芯片：STM32是一款32位的单片机又称MCU(MicroControl Unit)。图中的①电路是SWD下载接口模块，图中的②电路是单片机的晶振电路，图中的③电路是单片机的复位电路。如图2所示。
2)在四轴飞行器上加入LED灯和RGB全彩灯，除了有增加欣赏度的作用之外，还具有指示性功能，在人机交互上扮演重要的角色。如图3所示。
3)四路电机驱动电路：飞行器搭载四个720空心杯电动机带动桨叶旋转为飞行器提供动力，720空心杯电动机具有体积小、重量轻、精度高、噪音低、工作效率高等优点，非常适合应用于小型无人机、机械手、玩具以及一些遥控设备上。如图4所示。
4)四轴飞行器供电电路：由于四旋翼的动力***选用的是3.7V可充电锂电池供电，因此在这一模块中，要配置好电池的充电电路、放电电路；电机的驱动电压是5V，而锂电池的放电电压是3.7V，因此还要配置升压电路；同样，电池的电量检测环节也是必不可少的，以便于用户知晓电池的电量情况，以便于及时给电池充电。如图5所示。
5)SI24R***电路：四旋翼通过此模块与遥控器通讯，接收到来自遥控器的指令信号并处理。如图6所示。
6)传感器电路：飞行器设有3轴陀螺仪(测量旋转的角速度)、3轴加速度(测量加速度)、3轴磁力计(测量旋转的角度)以及气压计(测量高度)。传感器采集到数据后传递给主芯片，进行姿态解算。如图7所示。
7)ESP-F模块电路：ESP-F模块核心处理器采用高性价比芯片ESP8266，该芯片带有16位精简模式，主频支持80MHz和160MHz，支持RTOS。ESP8266拥有完整的WIFI网络功能，既能够独立应用，也可以作为从机搭载于其他主机MCU运行。当ESP8266独立应用时，能够直接从外接Flash启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高***性能，并且优化存储***。此外ESP8266只需通过SPI/SDIO接口或I2C/UART口即可作为WIFI适配器，应用到基于任何微控制器的设计中。如图8所示。
8)OpenMV扩展电路：OpenMV是嵌入式图像处理单元。如图9所示。
在Altium Designer软件绘制出原理图并在PCB制作界面把各个模块集成在主控板上，再进行布局、引线、铺铜等操作后便可得到。
本实施例中，传感器模块采集数据后发送至主控芯片进行姿态解算和姿态控制，通过将陀螺仪采集出来的角速度与四元数建立关系，进行导航坐标系向机体坐标系的转换，结合Mahony互补滤波算法，利用加速度计对陀螺仪数据进行校准，计算出姿态角，获取四轴的姿态信息，最终采用角度和角速度的双闭环串级PID控制，实现飞行器姿态精准的控制，具体如下。
坐标系的建立：
导航坐标系：又叫地球固连坐标系、地理坐标系，用于研究多旋翼飞行器相对于地面的运动状态，确定机体的三维位置；忽略地球的曲率，将地球表面看成一个平面。以地心或者多旋翼起飞位置作为坐标原点，本发明建立的导航坐标系主要以起飞位置为坐标原点，且坐标系不会随着飞行器的移动而移动，如图10所示.
机体坐标系：与多旋翼机体固连，其原点取在机体的重心位置，ox轴指向机头方向，oy轴指向机头的右方并且与ox轴垂直，用“右手定则”可以确定oz轴垂直于ox和oy轴构成的平面向下。如图11所示，绕z轴旋转的角度即偏航角α(规定机体向右偏航时角度为正，取值范围[-π，+π])；绕x轴旋转的角度即横滚角β(规定机体向右滚转时角度为正)，取值范围[-π，+π])；绕y轴旋转的角度即俯仰角γ(规定机体头部上扬时角度为正，取值范围[-π/2，+π/2])。
四元数理论：
Q(q0,q1,q2,q3)＝q0+q1i+q2j+q3k，
其中，q0、q1、q2、q3是实数，i，j，k既是互相正交的单位向量，也是单位虚数
四元数既可以看作四维空间的一个向量，又可看作一个超复数，由此可得导航坐标系到机体坐标系的坐标变换矩阵：
进而可得：
β＝arcsin[2(q2q3+q0q1)],
Mahony互补滤波算法：
其中，
是当前四元数，
是上个周期的四元数，Δt是计算周期，角速度数据(wx，wy，wz)可由陀螺仪测出，但是噪声的影响会造成测量上的误差，因此需要加速度计和磁力计对陀螺仪数据进行校准。
陀螺仪可以直接测量出角速度，但测量会有误差，为保证数据足够精确，数据融合的思路是用加速度数据来校准陀螺仪数据的积分误差。校准过程如图12所示。首先，基于陀螺仪的角速度数据结合四元数推导出机体的理论重力加速度，基于加速度计测量的加速度获取机体实际重力加速度，将理论重力加速度、实际重力加速度向量叉积获取误差，并将误差补偿至陀螺仪角速度。
双闭环串级PID控制：
本发明最终采用双闭环串级PID控制策略，同时对角度和角速度进行PID控制。角速度的数据可由陀螺仪测量得出，双闭环串级PID控制器比单闭环PID控制多了一个角速度的控制，对比于单闭环增强了***的鲁棒性。采用单闭环PID控制时打大舵量遥控时会出现飞行器失衡或跟随时滞的现象，双闭环则有效解决了这一问题。
“POL速率”、“PIT速率”、“YAW速率”是角速度环的PID参数，“自稳ROL”、“自稳PIT”、“自稳YAW”是姿态角PID参数。串级PID调参时应该遵循“先内后外，逐个调节”的原则，其基本流程如下：
(1)估计大概起飞油门；
(2)调整角速度内环参数；
(3)将角速度外环加上，调整外环参数；
(4)横滚角和俯仰角参数可取一致；
(5)大概设置偏航参数，观察横滚和俯仰轴打舵的反应；
(6)若横滚和俯仰不稳定，继续调节参数直至稳定为止；
(7)横滚和俯仰调整完后，再调整偏航轴参数以达到好的动态效果。
最终，调节参数如表1所示，经室内飞行测试，可以达到比较稳定的效果。
表1 PID参数
本发明的飞行器，在实际试验过程中，全面的技术参数如表2所示，实践证明，其具有稳定可靠的飞行效果。
表2四旋翼飞行器参数
Claims (7)
1.一种基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，包括主控芯片、四路电机驱动模块、供电模块、***电路模块、传感器模块、ESP-F模块、OpenMV扩展电路模块，其特征在于，所述传感器模块包括3轴陀螺仪、3轴加速度计以及3轴磁力计，3轴陀螺仪用于测量旋转角速度，3轴加速度计用于测量加速度，4轴磁力计用于测量旋转角度，传感器模块采集数据后发送至主控芯片进行姿态解算和姿态控制，通过将陀螺仪采集出来的角速度与四元数建立关系，进行导航坐标系向机体坐标系的转换，结合Mahony互补滤波算法，利用加速度计对陀螺仪数据进行校准，计算出姿态角，获取四轴的姿态信息，最终采用角度和角速度的双闭环串级PID控制，实现飞行器姿态精准的控制。
2.根据权利要求1所述的基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，其特征在于，所述的导航坐标系是以飞行器起飞位置为坐标原点，导航坐标系不会随着飞行器的移动而移动，所述的机体坐标系与飞行器机体固连，原点选取在机体的重心位置，取绕z轴旋转的角度为偏航角α，绕x轴旋转的角度为横滚角β，绕y轴旋转的角度为俯仰角γ。
3.根据权利要求2所述的基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，其特征在于，四元数理论如下:
Q(q0,q1,q2,q3)＝q0+q1i+q2j+q3k
其中，q0、q1、q2、q3是实数，i、j、k既是互相正交的单位向量，也是单位虚数
四元数既可以看作四维空间的一个向量，又可看作一个超复数，由此可得导航坐标系到机体坐标系的坐标变换矩阵：
进而可得：
β＝arcsin[2(q2q3+q0q1)],
4.根据权利要求3所述的基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，其特征在于，Mahony互补滤波算法如下：
其中，
是当前四元数，
是上个周期的四元数，Δt是计算周期，角速度数据(wx，wy，wz)可由陀螺仪测出，并通过加速度计对陀螺仪数据进行校准。
5.根据权利要求4所述的基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，其特征在于，陀螺仪数据校准方法为：基于陀螺仪的角速度数据结合四元数推导出机体的理论重力加速度，基于加速度计测量的加速度获取机体实际重力加速度，将理论重力加速度、实际重力加速度向量叉积获取误差，并将误差补偿至陀螺仪角速度。
6.根据权利要求1所述的基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，其特征在于，双闭环串级PID控制策略中，参数调节流程如下：
(1)估计大概起飞油门；
(2)调整角速度内环参数；
(3)将角速度外环加上，调整外环参数；
(4)横滚角和俯仰角参数可取一致；
(5)大概设置偏航参数，观察横滚和俯仰轴打舵的反应；
(6)若横滚和俯仰不稳定，继续调节参数直至稳定为止；
(7)横滚和俯仰调整完后，再调整偏航轴参数以达到好的动态效果。
7.根据权利要求1所述的基于32单片机的双闭环串级PID四旋翼飞行器，其特征在于，飞行器还包括LED灯控制模块，用于对飞行器上LED灯以及RGB全彩灯实现控制。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116520877A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-08-01 | 华中科技大学 | 一种四旋翼无人机狭窄管道内自主定位及控制方法 |
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| CN106444804A (zh) * | 2016-09-16 | 2017-02-22 | 杭州电子科技大学 | 基于互补滤波算法和串级pid的四旋翼飞行器设计方法 |
| CN106643737A (zh) * | 2017-02-07 | 2017-05-10 | 大连大学 | 风力干扰环境下四旋翼飞行器姿态解算方法 |
| CN109506646A (zh) * | 2018-11-20 | 2019-03-22 | 石家庄铁道大学 | 一种双控制器的无人机姿态解算方法及*** |
-
2022
- 2022-08-10 CN CN202210956140.0A patent/CN115167495A/zh active Pending
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