【摘要】本文以四旋翼飞行器为研究对象，以TMS320F28335为核心，搭建飞行器硬件平台，实现四旋翼飞行器的姿态控制。 详细介绍了控制系统硬件设计方法，采用基于RBF神经网络整定的PID控制策略，最终实现了飞行器的垂直起降、稳定悬停和便携设备超远程控制。
【关键词】四旋翼飞行器;控制系统;DSP
近年来，四旋翼飞行器日益受到学术界关注。四旋翼飞行器融合了直升机与固定翼飞行器的优点，同时因该飞行器具有卓越的飞行控制性能和对各种环境极强的适应性能力，现已发展为集军用、商用、民用多位一体的无人驾驶工具。
本研究在现有的四旋翼飞行器的理论与技术基础上，选用32位DSP处理器，可快速编写控制算法，更好实现算法要求，达到设计目标。通过对四旋翼飞行器工作原理的分析，开展对四旋翼工作模式与控制参数的研究，得到相应的控制算法，然后编程、仿真，实现对其飞行姿态控制的研发。
1.系统工作原理和结构框架
1.1 四旋翼飞行器工作原理
四旋翼飞行器飞行姿态通过调整四个旋翼转速实现，升降的垂直运动通过4个旋翼同时增（减）速得到，当4个旋翼的升力之和等于飞行器自重时，飞行器保持悬停。水平面内的前后运动是在旋翼A、B分别增（减）速的同时，旋翼C、D减（增）速，这样机身就会发生向后或向前的倾斜，可在水平面内前后运动;俯仰运动通过旋翼A、C速度不变，旋翼B增（减）速的同时旋翼D减（增）速来实现的。相似地可以实现滚转运动，即旋翼A增（减）速同时旋翼B减（增）速。通过组合以上的基本运动，可实现飞行器的各种复杂运动。四旋翼飞行器的结构俯视图如图1所示。
图1 小型四旋翼飞行器结构俯视图
1.2 控制系统总体框架
四旋翼飞行器的飞行控制系统由姿态传感器、主控制器和电机驱动等部分组成。姿态传感器用来测量四旋翼飞行器的飞行状态信息，主控制器根据这些传感器反馈回来的状态信息、预先给定的状态和现场无线输入的控制指令进行处理 ，使控制系统根据控制算法处理结果输出4路 PWM信号控制电调从而控制电机转速，以实现自动调节旋转力矩来稳定飞行姿态。整个四旋翼飞行器控制系统分为机载控制部分和地面控制部分。
2.系统硬件设计
本研究采用TI公司的TMS320F28335作为系统的主控制器，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，有多达18路的PWM输出和12位ADC。通过其浮点运算单元，可快速编写控制算法，无需在处理小数操作上耗费过多时间和精力。它主要负责采集传感器检测到的姿态角速率、三轴的线加速度和航向信息并实时解算;根据检测到的飞行信息，结合既定的控制方案，计算输出控制量;通过无线通信模块与地面进行数据的传输，实现接收控制命令改变飞行状态和下传飞行状态数据。机载部分系统结构图如图2所示。
图2 飞行系统控制框图
2.1 传感器模块
小型四旋翼低空飞行器在某个时刻的状态由6个物理量来描述，包括在三维坐标中的3个位置量和沿3个轴的姿态量（称为六自由度）。惯性传感器有两种类型：陀螺仪和加速度计。陀螺仪的作用是测量四旋翼飞行器的角速率，在惯性导航系统中非常重要。因此，精度和稳定性是陀螺仪选型的重要原则。选用应美盛公司的MPU6050测试陀螺仪和加速度计。MPU6050整合了3轴陀螺仪、3轴加速器。MPU6050的角速度全格感测范围设定为±250/sec（dps），可准确追踪快、慢速动作，该传感器传输可透过最高至400kHz的IC，精确采集四旋翼飞行器3个方向的角速率和线加速度。
在惯性导航算法中，导航参数会随传感器的测量误差积累而发散，因而不能长时间自主飞行，故选用霍尼韦尔公司的三轴式数字罗盘HMC5883校准惯性导航系统的姿态。采用I2C协议通信，经过转换电路之后可以和DSP的I2C口通信。
2.2 无线通信模块
无线通信模块是四旋翼无人飞行器和控制中心通信的桥梁。本研究要求的无线传输距离为100m左右。利用WIFI进行无线通信。通过PC机内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈实现数据传输，同时WIFI信息传送数据速率可以达到600Mbps，配置、使用方便，在100m之内传输稳定可靠。最终可实现上位机对其数据采集和实时操控。
2.3 电机控制模块
本研究采用直接利用商品电调控制无刷电机方案，实现了DSP输出PWM脉冲控制电调，从而对电机达到线性控制目的。控制方式为调整输出PWM周期为10ms，停车为1ms高电平，最大油门值为2ms高电平。
3.软件系统设计
四旋翼飞行器控制系统软件设计需完成启动各功能模块并使其正常运行的任务，同时根据要求实现稳定的飞行控制。四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，非常适合在静态和准静态条件下飞行，但四旋翼飞行器是有4个输入量6个输出量的欠驱动系统。本研究对系统解耦合成俯仰、横滚和偏航三个轴的动作，分别对其做了三个RBF神经网络整定的PID控制[4]，使飞行器能稳定飞行。
飞行控制系统中央控制模块主要完成系统初始化、系统自检、解算传感器数据、导航信息解算、执行控制算法、计算并输出控制量等功能。各任务间通过信号量和消息队列实现相互数据交换和同步。
4.结束语
本研究给出了基于DSP处理器的四旋翼飞行器控制系统的软、硬件设计方法，多次试验表明，该系统能满足飞行器姿态控制要求。本研究的创新点有：
①采用DSP作为系统的控制器，利用RBF神经网络整定参数的PID控制，使四旋翼飞行器可以自适应飞行控制。
②通过Android控制和WCDMA 3G无线网络实现超远程控制，使飞行器具有更高的使用价值。
本项目受西南大学本科生科技创新基金项目（1332002）资助。本研究及论文在陈通副教授的指导下完成。在项目进行中，受到很多师长、同学的帮助，在此谨向帮助支持我们的人致以诚挚的谢意！
参考文献
[1]聂博文.四旋翼飞行器的研究现状与关键技术[J].电光与控制，2007，14（6）：113-117.
[2]LEISHMAN J G.Principles of Helicopter Aerodynamics[M].New York：Cambridge University Press，2000.
[3]MCKERROW P.Modelling the Draganflyer Four-Rotor Helicopter[C].Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation.New Orleans.2004： 3596-3601.
[4]刘丽丽.四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D].长沙：中南大学，2009.
作者简介：
赵铭明（1993—），男，现就读于西南大学电子信息工程学院。
谢叶（1992—），女，现就读于西南大学电子信息工程学院。
李梦柯（1992—），女，现就读于西南大学电子信息工程学院。
陈通（1980—），男，博士，副教授，研究方向：信号处理、高光谱成像及情感计算。
蒋丽红（1993—），女，现就读于西南大学电子信息工程学院。
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