【正文】 國和美國的學(xué)者共同對X4flyer進(jìn)行了動態(tài)建模和鎮(zhèn)定配置的研究[6]。斯坦福的研究小組也對自己的試驗平臺（STARMAC）進(jìn)行了建模和參數(shù)辨識工作[21]。法國和阿爾及利亞的學(xué)者在文獻(xiàn)[22]給出了四旋翼直升機(jī)動態(tài)建模和用實驗確定參數(shù)的方法。（2）四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)控制姿態(tài)控制是四旋翼飛行控制系統(tǒng)的核心?？臻g飛行器、衛(wèi)星、直升機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、協(xié)同機(jī)器手、水下機(jī)器人等剛體均需要姿態(tài)控制[23]。對于四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)控制，很多文獻(xiàn)給出的都是傳統(tǒng)的PID和狀態(tài)空間控制方法，還有一部分是滑模和控制。例如瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的OS4已經(jīng)分別用PID[23] 、LQ[23] 、backstepping[5][24] 、Sliding – mode[5]實現(xiàn)了四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。另外還有文獻(xiàn)給出了全狀態(tài)反推法(full state backstepping)[25]、基于不變流型(Kinematicsbased)的控制法[26]、切換控制[27]、基于視覺的控制[7][28][29]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和改進(jìn)魯棒自適應(yīng)模糊控制等等。（3）四旋翼無人直升機(jī)飛行編隊飛行編隊（flight formation）有很多好處，例如飛機(jī)個體之間靠的足夠近，可以減少誘導(dǎo)阻力從而減少燃料消耗。MIT的研究人員對四旋翼無人機(jī)的研究工作處于世界領(lǐng)先地位，他們開發(fā)了室內(nèi)多任務(wù)、多場景、長時間UAV任務(wù)測試平臺（）[30]。MIT的G. Gowtham在對編隊建模時考慮了生物群組如鳥群、魚群、昆蟲和動物群在改變方向、避免碰撞和環(huán)境阻礙時的合作行為。給出了一組高效指引編隊飛行的命令。 （a）十機(jī)編隊飛行圖 （b）三機(jī)編隊飛行圖 MIT多機(jī)編隊飛行 論文內(nèi)容安排本文針對實際四旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，研究并開發(fā)了控制器的軟硬件系統(tǒng)，主要內(nèi)容如下：第一章為緒論，首先簡要介紹四旋翼直升機(jī)的歷史概況；接著介紹四旋翼無人機(jī)的飛行原理和研究現(xiàn)狀；最后是四旋翼無人直升機(jī)的研究熱點和主要技術(shù)。第二章為總體設(shè)計，首先將軟硬件系統(tǒng)分解成基本功能模塊，分別介紹了分各模塊的功能和作用；接下來給出了了各功能模塊的設(shè)計思路，為以下各章內(nèi)容做準(zhǔn)備。第三章為硬件子系統(tǒng)設(shè)計，介紹了元器件的選型原則和選型結(jié)果；并且給出了DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計步驟和電路抗干擾的措施。第四章為四旋翼無人機(jī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)子系統(tǒng)設(shè)計，首先介紹基本的捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)；然后根據(jù)本實驗平臺的特點將捷聯(lián)慣導(dǎo)簡化處理；接下來進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的姿態(tài)解算；最后，給出了各姿態(tài)角隨時間變化曲線。第五章為系統(tǒng)的建模與仿真，首先根據(jù)牛頓運動定律給出了四旋翼無人直升機(jī)的運動模型；然后對實際系統(tǒng)進(jìn)行了模型參數(shù)辨識；最后，搭建Simulink仿真平臺，設(shè)計PID控制器來控制系統(tǒng)姿態(tài)角。第六章為軟件設(shè)計，首先給出控制系統(tǒng)的軟件總流程，然后分別對每個模塊的算法流程和軟件實現(xiàn)進(jìn)行介紹。第七章是系統(tǒng)調(diào)試，介紹了DSP最小系統(tǒng)和控制器各元器件的調(diào)試過程和調(diào)試結(jié)果，最后給出了控制系統(tǒng)調(diào)試的過程和調(diào)試結(jié)果。第八章為總結(jié)與展望。2 總體設(shè)計 設(shè)計目標(biāo)目前，國內(nèi)外有很多四旋翼無人直升機(jī)模型的生產(chǎn)廠家，從購買渠道和方便維護(hù)考慮，選用的機(jī)體平臺是國產(chǎn)的華科爾UFO4型遙控四旋翼直升機(jī)（）。 華科爾UFO4四旋翼無人直升機(jī) 華科爾UFO4四旋翼無人直升機(jī)主要參數(shù)機(jī)體參數(shù)參數(shù)大小機(jī)體參數(shù)參數(shù)大小旋翼半徑198mm遙控器WK0701機(jī)體長/寬470mm陀螺儀3D驅(qū)動系統(tǒng)（電機(jī)）1225 FE重量（含電池）225g接收器4in1電池本文的主要內(nèi)容是設(shè)計小型四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)小型四旋翼無人直升機(jī)在近地環(huán)境下的姿態(tài)控制。其中，飛行高度在5米之內(nèi)，四旋翼無人直升機(jī)的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角控制范圍是30度，航向角的控制范圍是0到360度。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計小型四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能為：信息采集與檢測、數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)控制等。 硬件總體設(shè)計，四旋翼無人機(jī)硬件包括以下幾個部分：機(jī)體平臺（包含推進(jìn)組）、控制器模塊、傳感器模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊。各部分主要功能介紹如下。 四旋翼無人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖（1）機(jī)體平臺是其他所有模塊的載體。除了機(jī)架之外，還包括電機(jī)、減速齒輪和螺旋槳組成的推進(jìn)組。（2）控制器是系統(tǒng)的核心器件，起到協(xié)調(diào)和控制其他各模塊的作用。它不斷和數(shù)據(jù)處理模塊交換信息：獲取系統(tǒng)控制所需的信息，發(fā)出控制指令。（3）傳感器模塊為系統(tǒng)提供四旋翼無人機(jī)的各種運動信息或姿態(tài)信息，是導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分。（4）通訊模塊是控制系統(tǒng)與其他設(shè)備通訊的途徑?？刂破骺梢酝ㄟ^此模塊發(fā)送機(jī)體的各種狀態(tài)信息，接收控制指令或者導(dǎo)航信息。（5）數(shù)據(jù)處理模塊處于整個系統(tǒng)的中心位置，在控制器干預(yù)下(或自動)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，信息的提取，參數(shù)的解算等功能。（6）電源模塊為以上各模塊提供能量，保證硬件平臺的正常工作。 軟件總體設(shè)計為了減少軟件錯誤、提高可靠性，按照低耦合、。 四旋翼無人機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖軟件系統(tǒng)各模塊的主要功能介紹如下：（1）系統(tǒng)初始化模塊：包含軟件系統(tǒng)初始化和硬件系統(tǒng)初始化兩部分。（2）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊：主要功能是獲取傳感器發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。正確設(shè)置相關(guān)外設(shè)，使系統(tǒng)傳感器可以持續(xù)、正常的運行。（3）數(shù)據(jù)處理模塊：起到各模塊的銜接作用，例如A/D采樣的濾波、字符串與整形和浮點型之間的互換、數(shù)字羅盤的信息提取等等。（4）導(dǎo)航模塊：通過導(dǎo)航算法，將傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為控制器提供系統(tǒng)控制所需的位姿信息。（5）控制模塊：控制器的軟件核心，包含控制系統(tǒng)主要算法。（6）無線通訊模塊：負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)和上位機(jī)或其他設(shè)備的通信。 控制系統(tǒng)功能設(shè)計 導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)控制是現(xiàn)階段四旋翼無人機(jī)的研究重點，也是開展進(jìn)一步研究工作的前提。控制器必須能夠獲取足夠的姿態(tài)信息，導(dǎo)航系統(tǒng)可以為控制器提供有效的位姿參考。最常用的導(dǎo)航方法是慣性導(dǎo)航，該算法所需要的信息量包括載體三個軸向的加速度和三個軸向的角速度。因此，需要相應(yīng)的慣性檢測單元（IMU）來測量這些信息。因為是模擬器件，所以慣性傳感器的選型主要關(guān)注的指標(biāo)是精度和線性度。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于誤差積累等原因會隨著時間而發(fā)散，因此需要更精準(zhǔn)的平臺進(jìn)行校正，可以選用數(shù)字羅盤定時校正慣導(dǎo)系統(tǒng)。雖然高度控制不是本文的重點，但是要想離地飛行，控制器必須有高度信息。在系統(tǒng)開發(fā)的初始階段，離地高度并不大，精度在厘米級便可滿足要求，可以使用超聲傳感器來測量直升機(jī)離地高度。 控制算法姿態(tài)控制是當(dāng)前世界上四旋翼無人直升機(jī)的一個研究熱點，各國的學(xué)者都設(shè)計了不同的控制器對四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行控制。一般情況下，在設(shè)計控制器之前了解系統(tǒng)的模型信息或系統(tǒng)的主要特性，即對四旋翼無人直升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模。建立系統(tǒng)模型之后，還必須知道系統(tǒng)模型的各個參數(shù)的大小，涉及模型的參數(shù)辨識問題。當(dāng)以上工作完成之后可以搭建軟件仿真平臺，設(shè)計控制算法?？刂扑惴蛇x用文獻(xiàn)中使用最多的PID控制，通過設(shè)計不同的控制參數(shù)給出姿態(tài)控制效果。 通信系統(tǒng)四旋翼無人直升機(jī)采用有線的數(shù)據(jù)通信不能滿足需求，所以選用無線作為系統(tǒng)的通訊方式。無線通信有兩個重要的指標(biāo)，就是傳輸距離和傳輸速度?，F(xiàn)階段的設(shè)計和測試都在實驗室中進(jìn)行，因此傳輸距離并不太遠(yuǎn)，幾百米之內(nèi)便可滿足要求。關(guān)于傳輸速率的選擇，由于目前設(shè)計中傳輸內(nèi)容只是簡單的狀態(tài)信息或者控制命令，并不涉及到視頻或者音頻的實時傳輸，所以并不需要很高的波特率就可以實現(xiàn)。選用UART格式的通信模塊就可滿足要求。如果系統(tǒng)需要更高的傳輸速率，可以使用無線局域網(wǎng)作為通信系統(tǒng)。為了方便擴(kuò)展，系統(tǒng)設(shè)計時須留有相應(yīng)的擴(kuò)展接口。 電源系統(tǒng)電池為整個系統(tǒng)提供能量，是系統(tǒng)的動力來源。鋰電池因為容量大、重量輕等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。為了給系統(tǒng)提供足夠的能量，選用華科爾四旋翼無人機(jī)模型自帶的800mA/h鋰電池為整個系統(tǒng)供電。實際系統(tǒng)各部分對供電的要求并不相同，因此設(shè)計相應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路，以滿足系統(tǒng)各部分對供電的不同需求。 控制器選型隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，單片CPU的處理速度和處理能力正在逐漸增強(qiáng)，其中德州儀器（TI）的DSP正在越來越多地應(yīng)用與各個領(lǐng)域。尤其是F28XXX系列的DSP非常適合運動控制，它含有豐富的外設(shè)、幾十種中斷響應(yīng)、脈寬輸出、光電編碼接口、多種通信接口等等。因此本文選用DSP作為核心控制器。另外DSP含有上百KB的片上FLASH，一般規(guī)模的控制程序都可以寫進(jìn)FLASH而不需要內(nèi)存擴(kuò)展。為了簡化系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理模塊也由DSP來承擔(dān)，而不單獨使用其他的芯片實現(xiàn)。由以上內(nèi)容可知，四旋翼無人機(jī)控制器的硬件部分包含以下器件：（1）DSP最小系統(tǒng)（2） 慣性測量單元(IMU)（3）數(shù)字羅盤（4）無線通訊模塊（5）電源模塊（6）執(zhí)行機(jī)構(gòu)（7）超聲波傳感器硬件系統(tǒng)各部分的組成如下圖所示。 控制系統(tǒng)硬件組成 小結(jié)本章介紹控制了系統(tǒng)總體設(shè)計。首先將控制系統(tǒng)分成軟件和硬件兩部分，簡要介紹了各個部分的組成和功能。接下來，分別介紹了導(dǎo)航系統(tǒng)、控制算法、通信系統(tǒng)的設(shè)計思路和部分硬件器材的選型準(zhǔn)則。最后給出了控制器硬件結(jié)構(gòu)，為論文的以后各章內(nèi)容起到指導(dǎo)作用。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)硬件部分主要包括四旋翼無人機(jī)平臺、控制計算機(jī)模塊、慣性測量單元、無線通信模塊、高度傳感器模塊和電源模塊等。本章進(jìn)行了硬件系統(tǒng)的選型和設(shè)計工作，完成了四旋翼無人機(jī)控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計。首先進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件選型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行核心電路的設(shè)計，最后部分簡要介紹實際電路的抗干擾措施和PCB布局的注意事項。 硬件選型 傳感器選型由于小型四旋翼無人直升機(jī)的模型平臺有效載荷小，控制器對傳感器要求精度不高。因此，總的來說傳感器選型應(yīng)遵循以下原則：（1）合適的量程和分辨率（2）線性度好（3）低功耗（4）小體積/小重量（5）高靈敏度（6）高穩(wěn)定性、抗沖擊（7）外圍電路簡單（8）環(huán)境適應(yīng)性好（9）低成本 慣性元器件慣性傳感器包含加速度計和陀螺儀，負(fù)責(zé)測量四旋翼無人機(jī)的運動信息。目前市場上已知的此類產(chǎn)品中，慣性傳感器的輸出信號都是模擬量。因此，此類傳感器的選型應(yīng)當(dāng)注重線性度和抗干擾性。（1）陀螺儀陀螺儀起到測量四旋翼無人機(jī)的角速率的作用，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要。因此，精度和穩(wěn)定性是作為陀螺儀選型的重要原則。選擇ADI公司的ADXRS150角速度陀螺[32]（），該陀螺測量范圍達(dá)到150176。/S?？梢砸种?000g的沖擊。 ADXRS150性能指標(biāo)量程177。150；標(biāo)度因子 mV/ （25）線性度%FS帶寬40Hz（3db）重量 g供電電壓~供電電流8mA ADXRS150陀螺小系統(tǒng)板（2）加速度傳感器加速度傳感器起到感應(yīng)飛機(jī)三個軸向的線加速度的作用，目前市場上產(chǎn)品種類繁多。本文的實驗環(huán)境主要是室內(nèi)或者室外的低速運動場合，另外控制的目標(biāo)是實現(xiàn)姿態(tài)穩(wěn)定，因此每個軸向的加速度并不大。根據(jù)傳感器選型原則，加速度傳感器選用飛思卡爾的MMA7260Q三軸加速度計[31]()。該傳感器可以根據(jù)不同場合選擇量程（）。同時有超低功耗、高靈敏度（800mV/g @）設(shè)計和高沖擊（177。5000g）適應(yīng)性等優(yōu)點。 MMA7260Q的主要指標(biāo)型號電壓電流量程靈敏度帶寬輸出范圍MMA7260Q500uA800mV@X/Y 250HzZ 150Hz MMA7260Q加速度傳感器（3）A/D轉(zhuǎn)換器選型A/D選型的標(biāo)準(zhǔn)有以下幾點：①轉(zhuǎn)換精度②轉(zhuǎn)換速率③信號輸入范圍④芯片接口⑤價格、功耗等。模擬傳感器的輸出有兩種電平信號：加速度計輸出范圍是03V，陀螺儀輸出范圍是05V。當(dāng)前大多數(shù)芯片A/D輸入信號范圍基本都能滿足要求。因此轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速率是選型的主要考慮因素。l 轉(zhuǎn)換速率指標(biāo)設(shè)計目前大多數(shù)研究平臺電機(jī)的控制頻率為50Hz到100Hz左右，而普通有刷電機(jī)的控制帶寬只有50Hz左右[20]。由于這個限制，更高的控制頻率對于普通的電機(jī)是不合適的。但是為了增加導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少積分漂移。A/D的采樣頻率為控制頻率的20倍左右，達(dá)到2KHz。慣性元器件總共有6路A/D輸出，再加上兩路電平基準(zhǔn)，一共8路。因為A/D的轉(zhuǎn)換芯片只有一個A/D轉(zhuǎn)換模塊，留有20%裕量，就要求芯片的轉(zhuǎn)換速率2Mhz。 l 轉(zhuǎn)換精度的指標(biāo)設(shè)計A/D器件的誤差有失調(diào)誤差和增益誤差兩種，一般由最低有效位（LSB）標(biāo)識。以加速度計為例，其靈敏度為800mV/g。因此。則對于12位A/D轉(zhuǎn)換芯片，假設(shè)A/D轉(zhuǎn)換芯片的失調(diào)誤差和增益誤差之和最大為M LSB。，其對應(yīng)的加速度誤差為（）。根據(jù)式（）和式（） () ()因此速度誤差V=（），S=（）。若假設(shè)1分鐘的速度誤差為1m/s則對應(yīng)M=29。TMS320F28x DSC’s有一個16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器[34]，可以讓設(shè)計者像使用多種嵌入式設(shè)備一樣，直接把模擬信號連接到處理芯片上。另外F28335的偏移誤差為15LSB而增益誤差為30LSB[34]，因為這些誤差可以使用軟件補償（），所以為了方便開發(fā)，直接使用DSP自帶的12位A/D轉(zhuǎn)換器，并且將DSP的SPI口擴(kuò)展以備更高精度的A/D芯片使用。 數(shù)字傳感器（1）數(shù)字羅盤在慣性導(dǎo)航算法中，導(dǎo)航參數(shù)會隨著傳感器的測量誤差積累而發(fā)散，因而不能滿足長時間自主飛行的需要。選用霍尼韋爾公司的三軸式數(shù)字羅盤HMR3300[35]（）對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)校準(zhǔn)。它采用UART協(xié)議通信，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路之后可以和DSP的SCI口通信。 數(shù)字羅盤主要參數(shù)表航 向精度水平： 176。~177。： 176。177。~177。： 176。分辨率 176。俯仰和橫滾范圍177。精度~177。：176。 176。177。~177。： 17