科普｜无人机飞控系统

无人机飞控系统

最近几年以来无人机的热度一直有增无减，而一直引领这一行业发展的就是我国的大疆公司

大疆之所以能引领行业我觉得最大的因素是其率先开发出简单实用的飞控系统。

在还没飞控系统的时候，无人机、航模等都是很难操控的，只能在视觉范围内控制。其遥控实现机动、机态的调整都需要飞手通过视觉的感知再去进行控制。这样的操作注定没法大众普及。直到研发出的飞控系统。才使无人机成为面向消费级的产品。可以说飞控技术的发展是无人机得以快速发展壮大的最大推手。

现在，我们就来简单介绍一下飞行控制系统

飞行控制系统简称飞控，是飞行器的大脑，多轴飞行器的飞行、悬停，姿态变化等等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整。

无人机飞控系统的组成：

IMU惯性测量单元

IMU惯性测量单元是由三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴地磁传感器和气压计构成的。

三轴指的就是飞机的左右、前后和垂直方向的上下，在飞机上分别对应横滚、俯仰和Z轴。

三轴陀螺仪通过三个轴上的传感器计算外部框架旋转的度数等数据，现在一般用电子陀螺仪代替机械陀螺仪。

三轴加速度计是测量飞机XYZ三个轴的加速度；地磁传感器就是感知地磁，就是一个电子指南针，可以让飞机知道自己的飞行朝向、机头朝向、目的位置和原位置。

气压计用于测量不同位置，计算压差获得当前的高度。

GPS定位：确定飞行器的位置、目的位置、原位置当前速度和加速度等，并且可和气压计、空速计一同工作，消除误差等

空速传感器：分为两路测量气压的传感器，一路测量静止气压，一路测量迎风气压，利用差值计算当前的空气流速等

这几个元件综合作用感知飞机的姿态变化数据。由于飞行器本身的不稳定和环境的多变，要实现稳定悬停和飞行，就需要获得飞行器的15个状态，比如：三维位置、三维速度、三维加速度、三轴角度、三轴角速度等等，并进行一系列“串级控制”，即把这些数据传输给飞控内部的单片机，单片机负责运算，根据飞机的当前数据，计算出相应的补偿方向、补偿角，再把这些补偿数据传输给电机，由电机去执行，完成补偿动作。

由于环境的多变，大部分的飞控需要几乎每时每刻都在对飞行器进行微调，大概一秒刷新十次，即进行十次微调，才能做到最简单的稳定悬停。

就不用再说那些更高难度的翻滚运动、俯仰运动、偏航运动等等了。

地面站：飞手、遥控器、显示屏等

这就是飞控的最基本的功能，如果没有飞控系统，就需要人为视觉去看飞行器的运动状态，一旦其中一个角发生倾斜，那么飞行器就会快速失去平衡，而发生坠机“炸机”。

基于MSP430单片机的四旋翼飞行器控制系统设计

汤金萍，周雷，金阿锁

(南通大学 电气工程学院， 江苏 南通 226019)

四旋翼飞行器是由4个带桨叶电机驱动并形成十字交叉结构的一种飞行器。本试验是以MSP430F149单片机为主控芯片，搭建四旋翼飞行器控制系统。以MPU-6050传感器获取飞行器的姿态信息，经过递推滤波算法，得到可靠的姿态数据，通过四元数融合算法，进行姿态解算，获得四旋翼飞行器的姿态角，然后借助PID控制算法，消除四旋翼飞行器在飞行过程中不可预测的误差，最后，以PWM波的形式控制无刷直流电机，实现四旋翼飞行器的自平稳控制。本试验完成了四旋翼飞行器的自平稳控制系统，能够基本实现四旋翼飞行器的平稳起飞与降落。

MSP430；MPU-6050；欧拉角；四旋翼飞行器；闭环控制

四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最常见、最简单的一种。2010年世界首款四旋翼飞行器AR.Drone问世，它由法国Parrot公司发布。它的定位是一款高科技玩具，性能非常优秀，轻便，很安全，容易控制，而且还能实现自悬停，拍摄图像，并通过WiFi传输到手机上显示。

DJI是众多四旋翼飞行器公司中值得一提的公司之一。在早些年，DJI主要工作放在直升机的控制上，在AR.Drone问世后，DJI看到了四旋翼飞行器的市场，开始研究四旋翼飞行器产品。2012年，DJI相继推出了几款飞行器产品。在当时AR.Drone的引领下，全球刮起了一股四旋翼飞行器商业化的热潮。

2013年1月，DJI推出Phantom，如图1所示。四旋翼飞行器被开发用作一个新领域——航拍。“Phantom”的中文意思是精灵，与它的外形很相配。随着Phantom的推出，四旋翼飞行器的市场也开始发生变化。Phantom很容易操作，没有操控经验的新手也可很快学会操作。与AR.Drone相比，Phantom的尺寸更大一些，在户外飞行时，抗风干扰的能力更强，Phantom还有GPS导航功能，可以飞行的范围很大。Phantom最大的特点，就是可搭载摄像机。Phantom可通过连接架挂载GoPro运动相机，拍摄极限运动。Phantom可以从不一样的视角拍摄，而且，与传统的飞机航拍不同，它小巧、灵活，可以让拍摄者自由控制角度。Phantom+GoPro拍摄模式的出现，让四旋翼飞行器更有生机。说多旋翼飞行器重新定义了航拍，一点都不为过。

从现在的四旋翼飞行器市场来看，一部分是以AR.Drone为代表的玩具市场，另一部分就是以DJI Phantom、DJI S1000为代表的航拍飞行器市场［1］。著名的快递公司顺丰就进行了多旋翼飞行器送快递的实验。在一些人类活动困难的地点，如火山口、沼泽地等，将多旋翼飞行器用于地质勘测的情况也越来越多。军事方面，多旋翼飞行器可以用于无人机侦察等。另外，多旋翼飞行器还可以用作森林防火监控、高速公路车辆监控、公共领域现场监控等。

1总体方案

1.1四旋翼飞行器基本结构

四旋翼飞行器是由4个带桨叶电机驱动并形成十字交叉结构的一种飞行器，本试验的四旋翼飞行器采用十字飞行方式，电机1为正前方，由此确定前后、左右。4个电机分别安装在十字结构的4个顶点，由此形成的四个旋翼结构相同，两两对称［2］。飞行控制器和电池被安装在中间交叉点位置。四旋翼飞行器的结构形式如图2所示。

1.2运动姿态分析

四旋翼飞行器由四个旋翼共同提供升力，通过改变4个电机转速，调节4个旋翼的升力，由此控制飞行器的姿态和飞行方向。四旋翼飞行器一共有6个自由度，4个力输入，6个状态输出，因此它是一个欠驱动系统［3］。

四旋翼飞行器常见的飞行方式有2种［4］:X飞行方式与十字飞行方式，其中两个电机正转，两个电机反转，以抵消自旋转力。本试验采用的是十字飞行方式，电机2、4顺时针旋转，电机1、3逆时针旋转。

规定电机1的方向即为正前方向，也是x轴方向；电机2为左方向，即y轴方向；电机3为右方向；电机4为后方向；z轴方向与x、y垂直向上。四旋翼飞行器的运动姿态可分为6种：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、倾向运动，如图3所示。

2硬件系统设计

2.1硬件框架

四旋翼飞行器硬件结构如图4所示，以MSP430F149单片机为主控芯片，作为飞控板，采用MPU-6050获取飞行器姿态数据，并通过PWM波控制电子调速器，调节电机转速。用Nokia5110显示屏显示飞行器内部数据，便于调试。

2.2电源

对于四旋翼飞行器，电源的质量会很大程度地影响它的飞行。本试验所使用的是新西达2212 KV2200电机，搭配5043号桨叶，当单电机满载运行时，实测电流可达到21.1 A。所以当飞行器满载运行时，总电流将达到80 A以上。同时，考虑到四旋翼飞行器的搭载能力，电源的质量非常重要。本试验选用狮子 3S11.1V2 200 mAh 电池搭配电子调速器作为电源。

2.3角度传感器模块

MPU-6050是全球首例整合性6轴运动处理传感器，由InvenSense公司推出。MPU6050整合了3轴加速度传感器和3轴角速度传感器，其检测轴与方向如图5所示。

3轴加速度传感器的精度可编程选择，范围为：±2 g、±4 g、±8 g和±16 g［5］。

3轴角速度传感器精度范围：±250、±500、±1 000°/s与±2 000°/s。

2.4电机与电子调速模块

2.4.1选用电子调速器控制无刷直流电机

选用电机与电子调速器控制无刷直流电机。可用在四旋翼飞行器上的直流电机有无刷电机和有刷电机两种。无刷电机在运行时不会产生火花，减小了对遥控器无线信号的干扰，同时相对于有刷电机更安静、运行更顺畅，且结构可靠，基本不需要维护。所以电子调速器控制无刷电机更适合用作四旋翼飞行器。

2.4.2新西达2212KV2200电机

新西达2212KV2200电机的内部共7对极，12个绕组。

新西达2212KV2200电机的6种通电情况下，电机是外转子结构，即内部有线圈的部分为定子，有7对极的外壳为转子。

2.5飞控（MSP430F149）

MSP430是TI公司生产的低功耗系列单片机。采用16位精简指令结构（RSIC）［6］，其特点是：超低功耗；处理能力强；丰富的片内外设；系统工作稳定；开发环境简单、方便。

3软件与控制算法

飞控程序是实现四旋翼飞行器控制系统的关键。由定时器A产生20 ms中断，每次中断发生，MSP430F149通过I2C采集一次MPU-6050的数据，获取原始姿态数据，经过递推滤波、四元数融合算法，得到姿态角，再根据需要的飞行姿态，并通过PID算法，计算得到电机的控制量，最后经过PWM的方式控制电机转速［7］。在下一次中断发生时，飞行器的姿态信息通过MPU-6050更新到单片机，以此循环，从而实现了四旋翼飞行器的自平稳控制系统。

程序流程如图6所示。

4系统测试及实现成果

4.1姿态解算测试

在姿态解算测试时，使用Nokia5110显示屏，通过更改程序，可分别显示传感器原始数据、递推滤波后数据、四元数算法融合后数据、PWM波占空比数据。这样可以让用户直观方便地了解到数据处理结果，便于发现问题并进行调试，如图7所示。

实验结果表明：在小幅度摆动飞行器时，屏幕显示的姿态角信息（姿态角）无误。

4.2PID参数测试

PID控制的一个优点就是可以消除不可预测的误差，而PID参数是一组经验参数，需要根据实际的控制系统测试，选择合适的PID参数。对于四旋翼飞行器，PID调试方法如下：

(1)四旋翼飞行器采用十字飞行方式，俯仰角由电机1、3控制，滚转角由电机2、4控制。

(2)在调节俯仰时，先设置I、D为0（这里以P、I、D分别代表比例参数、积分参数、微分参数），只改变P的量，由小到大依次变化。当系统出现临界振荡，或收敛振荡时，此时的P值就是所需要的数据。

(3)比例环节是PID调节中最难调节的一个，只要确定了P值，积分和微分环节就比较容易实现。

(4)微分系数D也是影响系统调节的一个重要参数。微分环节的作用就是减缓误差的变换速度。在四旋翼飞行器中，就是让旋翼的摆动速度不能过快。在步骤（2）中，四旋翼飞行器已经出现等幅振荡，在等幅振荡的过程中，两个极值处的振荡速度最慢，在中间理想位置处，振荡速度最快。加入了微分环节D之后，在振荡速度最快的中间理想位置，微分环节作用最大，从而抑制了系统的过调，只要选择合适的D值，四旋翼飞行器就会快速、准确地调节到理想位置，而且不会出现过调。

PID参数的设定受到系统实际情况的影响，在不同的四旋翼飞行器之间也有所不同，所以PID参数需要实际的测试才能够确定。PID参数的测试结果如表1和表2所示。

5结论

本试验对四旋翼飞行器的结构进行了分析，完成了四旋翼飞行器的自平稳控制系统，能够基本实现四旋翼飞行器的平稳起飞与降落。本文介绍四旋翼飞行器的发展现状和发展历程，列举了四旋翼飞行器研究的部分技术难点，对四旋翼飞行器的飞行姿态进行了分析，并介绍了四旋翼飞行器软、硬件的实现。

参考文献

［1］ DAS A, SUBBARAO K, LEWIS F. Dynamic inversion with zerodynamics stabilization for quadrotor control［J］. IET Control Theory and Applications, 2009, 3(3): 303-314.

［2］ MIAN A A,Wang Daobo. Modeling and back stepping based nonlinear control strategy for a 6 DOF quadrotor helicopter［J］. Chinese Journal of Aeronautics,2008(21):261-268.

［3］ 侯永锋,陆连山,高尚德,等. 基于PD算法的四旋翼飞行器控制系统研究［J］. 机械科学与技术, 2012,31(3):359-362.

［4］ 王璐. 欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制［J］. 哈尔滨工程大学学报, 2012,33(10):1-6.

［5］ 陈卫,杨忠,夏玉亮,等. MEMS加速度传感器在微型特种机器人中的应用［J］. 传感器与微系统, 2009,28（7）:110-113.

［6］ 杨平,王威. MSP430系列超低功耗单片机及应用［J］. 国外电子测量技术,2008，27（12）:48-50.

［7］ 黎泉,苏家强,李晓冉. 直流电机同步控制系统设计［J］. 河池学院学报, 2010，30（5）:46-51.

AET会员年终大福利！

相关问答

现在比较流行单片机有51单片机、AVR、PIC、MSP430、STM32、瑞萨单片机、飞思卡尔单片机。1.51单片机ATMEL(艾德梅尔)的:89C51、89C52STC(国产宏晶)单片机:8...

2560块Arduino的开发板,类似AVR单片机的开发板,可以用来开发,做实验什么的飞控板虽说主控芯片可以是AVR单片机,但它是专门用于飞行器,航模控制的,要不也不...

万年潜水党终于看到有人做机器了,感动,握手~想要成为机器工程师确实是个很伟大的目标,但是机器工程师不仅仅需要电子、机械、计算机等等方面的知识...

行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器,与普通的飞行器相比具有结构简单,故障率低和单位体积能够产生更大升力等优点,在军事和民用多个领...因...

建议利用降压稳压模块单独供电,电压保持在5V左右,而不是单片机上的3.3V。另外建议每个金属舵机的供电电流在1A左右。2、舵机损坏:这个不是很常见,可以换个...

[回答]配备强劲的八轴动力系统,大疆MG-1标准载荷达10公斤。每小时作业量可达40-60亩,作业效率是人工的40-60倍。大疆MG-1药剂喷洒泵采用高精度智能控制,与...

建议利用降压稳压模块单独供电,电压保持在5V左右,而不是单片机上的3.3V。另外建议每个金属舵机的供电电流在1A左右。2、舵机损坏:这个不是很常见,可以换个...