【正文】 模和控制。另外還有文獻給出了全狀態(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)控制和改進魯棒自適應(yīng)模糊控制等等。MIT的研究人員對四旋翼無人機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]。給出了一組高效指引編隊飛行的命令。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。第四章為四旋翼無人機的捷聯(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)進行介紹。第八章為總結(jié)與展望。 華科爾UFO4四旋翼無人直升機 華科爾UFO4四旋翼無人直升機主要參數(shù)機體參數(shù)參數(shù)大小機體參數(shù)參數(shù)大小旋翼半徑198mm遙控器WK0701機體長/寬470mm陀螺儀3D驅(qū)動系統(tǒng)（電機）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在近地環(huán)境下的姿態(tài)控制。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計小型四旋翼無人機控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。 硬件總體設(shè)計，四旋翼無人機硬件包括以下幾個部分：機體平臺（包含推進組）、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。 四旋翼無人機硬件結(jié)構(gòu)圖（1）機體平臺是其他所有模塊的載體。（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。（3）傳感器模塊為系統(tǒng)提供四旋翼無人機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?？刂破骺梢酝ㄟ^此模塊發(fā)送機體的各種狀態(tài)信息，接收控制指令或者導(dǎo)航信息。（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。 四旋翼無人機軟件結(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。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。（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。（6）無線通訊模塊：負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)和上位機或其他設(shè)備的通信?？刂破鞅仨毮軌颢@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。因此，需要相應(yīng)的慣性檢測單元（IMU）來測量這些信息。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)的平臺進行校正，可以選用數(shù)字羅盤定時校正慣導(dǎo)系統(tǒng)。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離地高度。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系統(tǒng)進行建模。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。 通信系統(tǒng)四旋翼無人直升機采用有線的數(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?，F(xiàn)階段的設(shè)計和測試都在實驗室中進行，因此傳輸距離并不太遠(yuǎn)，幾百米之內(nèi)便可滿足要求。選用UART格式的通信模塊就可滿足要求。為了方便擴展，系統(tǒng)設(shè)計時須留有相應(yīng)的擴展接口。鋰電池因為容量大、重量輕等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。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。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。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FLASH而不需要內(nèi)存擴展。由以上內(nèi)容可知，四旋翼無人機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。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。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。本章進行了硬件系統(tǒng)的選型和設(shè)計工作，完成了四旋翼無人機控制器硬件系統(tǒng)的設(shè)計。 硬件選型 傳感器選型由于小型四旋翼無人直升機的模型平臺有效載荷小，控制器對傳感器要求精度不高。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。（1）陀螺儀陀螺儀起到測量四旋翼無人機的角速率的作用，在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中非常重要。選擇ADI公司的ADXRS150角速度陀螺[32]（），該陀螺測量范圍達到150176?？梢砸种?000g的沖擊。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)飛機三個軸向的線加速度的作用，目前市場上產(chǎn)品種類繁多。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]()。同時有超低功耗、高靈敏度（800mV/g ）設(shè)計和高沖擊（177。 MMA7260Q的主要指標(biāo)型號電壓電流量程靈敏度帶寬輸出范圍MMA7260Q500uA800mVX/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。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。l 轉(zhuǎn)換速率指標(biāo)設(shè)計目前大多數(shù)研究平臺電機的控制頻率為50Hz到100Hz左右，而普通有刷電機的控制帶寬只有50Hz左右[20]。但是為了增加導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少積分漂移。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。 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。因此。其對應(yīng)的加速度誤差為（）。若假設(shè)1分鐘的速度誤差為1m/s則對應(yīng)M=29。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口擴展以備更高精度的A/D芯片使用。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)進行姿態(tài)校準(zhǔn)。 數(shù)字羅盤主要參數(shù)表航 向精度水平： 176。： 176。~177。分辨率 176。精度~177。 176。~177。 deg176。電氣參數(shù)輸入電壓 V輸入電流22 mA(典型) 24 mA(最大)接 口UART2400~19200 Baud更新8 Hz hmr3300數(shù)字羅盤（2）高度傳感器，四旋翼無人直升機飛行不高，對精度的要求也不是很高。它與國外的同類產(chǎn)品SRF05相比，性能接近但是價格卻只有SRF05的四分之一。通過簡單的計算，便可以求出聲納探頭到障礙物的距離?？刂葡到y(tǒng)要求無線通訊誤碼率低、實時性高，保證傳輸信息的準(zhǔn)確性和及時性。該模塊有以下優(yōu)點：多種可選通信接口（RS23TTL、RS485），多種數(shù)據(jù)格式和傳輸速率，公開的數(shù)據(jù)接口，收發(fā)一體半雙工工作模式，采用單片射頻集成電路及單片MCU，外圍電路少，功耗低，可靠性高等。減速齒輪減速比為1:6，可以為旋翼提供更大的扭矩。 四旋翼無人機推進組 1225FE33性能指標(biāo)額定空載起動電壓轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)速電流轉(zhuǎn)矩電流3V11000rpm200mA12000rpm80mA33 1800mA（2）直流電機是功率器件，需要很大的驅(qū)動電流，控制器的驅(qū)動能力有限，因此必須選用專門的驅(qū)動芯片。該芯片的驅(qū)動電流可達5A、操作電壓達到40V，脈寬控制頻率可達10Khz。（2）導(dǎo)航解算、數(shù)字濾波等需要大量的浮點運算（除法、開方、正弦余弦、FIR濾波等），因此要求處理器具有一定的浮點處理能力。F28335整合了C28x處理單元和浮點處理單元[34]的構(gòu)架(C28x+FPU)。能在一個指令周期內(nèi)對任何內(nèi)存地址讀寫、修改操作。 TMS320F28335 DSP的主要特征表型號DSP類型特性F28335C28x+FPU32位浮點SCI（3個）、SPI（1個）、CAN、12位A/D（16通道），McBSP，增強ePWM模塊（6路）、增強捕捉單元（4個）、增強光電編碼接口、看門狗定時器、FLASH（256K）、高達150MIPS 硬件系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)配置和F28335的特性，由上一節(jié)內(nèi)容可知，DSP選用TMS320F28335，數(shù)字羅盤選用hmr3300，無線通信模塊是KYL610，超聲傳感器是URF04，慣性測量模塊(IMU)采用MMA7260Q和ADXRS150，晶振頻率為20Mhz，電機組和電源為模型自帶。 四旋翼無人直升機元器件質(zhì)量表元器件重量（g）說明機架148華科爾四旋翼機架和推進組鋰電池73800mAh無線模塊12含天線數(shù)字羅盤6主控制板34包括DSP最小系統(tǒng)各器件接口陀螺儀和加速度計5三個單軸陀螺和一個三軸加速度計合計278 四旋翼無人機元器件質(zhì)量分布圖，機架和電池部分占系統(tǒng)總重量的百分之八十?？刂破骱诵哪K占總質(zhì)量的20%，其中傳感器和通信部分占8%。比如選用更加輕便的機體或者選用重量更輕、功率更大的無刷電機等等。 供電系統(tǒng)設(shè)計供電系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)考慮以下幾方面：核心電壓、電壓穩(wěn)定性和靜態(tài)電流?！?V——。電源芯片的選型主要依據(jù)是各個核心元器件所消耗電流的大小。因此選擇體積小，最大輸出電流達500mA的78M05[38]作為12V轉(zhuǎn)5V的轉(zhuǎn)換芯片。另外，在78M05的輸入端并聯(lián)一個瞬態(tài)抑制二極管SMCJ36CA，可以有效抑制電源尖峰。 F28335供電電壓和供電類型表電源名稱電壓值電源類型電源名稱電壓值電源類型內(nèi)核電源D（數(shù)字）FLASH電源DI/O電源D地線電源0DADC模擬電源A（模擬）ADC模擬地0AADC內(nèi)核電源AADC內(nèi)核地0ATI公司的C2000系列DSP對I/O上電順序沒有要求，但對內(nèi)核上電和I/O上電時間差有嚴(yán)格的要求[39]：理想情況是同時加電，但很難做到。這個加電次序主要依賴于芯片內(nèi)部的靜電保護電路。TPS76D318主要特性有：一路可控輸出，最大輸出電流可達1A，靜態(tài)超低電流，雙路電源，200ms延時復(fù)位，熱保護和短路保護等功能。因此可以由單個穩(wěn)壓電源給數(shù)字電路和模擬電路供電[40]，但是必須得把模擬輸入和數(shù)字噪聲分開。從數(shù)字供電電路產(chǎn)生模擬供電電路比較簡單，使用0歐姆電阻來過濾電源噪聲。 時鐘與復(fù)位電路設(shè)計（1）時鐘電路：DSP系統(tǒng)時鐘可以由外部晶振和內(nèi)部鎖相環(huán)（PLL）共同產(chǎn)生。（2）DSP復(fù)位電路的設(shè)計（）主要考慮兩個方面[40]：有效復(fù)位電平和有效復(fù)位脈沖寬度。但是，由于在上電后，系統(tǒng)的晶體振蕩器往往需要幾百毫秒的穩(wěn)定時間，所以，RS為低的時間主要由系統(tǒng)的穩(wěn)定時間確定，一般為100ms200ms。以及TI的兩個擴展接口（EMU0和EMU1）。比如TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS等。尤其在通信系統(tǒng)中，電平匹配問題常常被設(shè)計者忽略，這也往往是造成通信系統(tǒng)可靠性差的一個重要原因。所有與DSP相連芯片電平邏輯必須與DSP相匹配。所以須經(jīng)過降壓處理才能和DSP通信。數(shù)字羅盤輸入要求VIH，VIL，DSP輸出和數(shù)字羅盤輸入不能完全匹配。所以為了簡化，實際電路中DSP串行輸出和數(shù)字羅盤串行輸入直接相連。實際系統(tǒng)中采用和數(shù)字羅盤一樣的電平處理方式。（1）按照產(chǎn)生原因：可以分為放電噪聲、高頻振蕩噪聲浪涌噪聲等（2）按照傳到方式：可以分為共模噪聲和串模噪聲（3）按照波形：可分為正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等如本章前文所述，四旋翼無人直升機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包含多種元器件。四旋翼飛行器有效載荷較小，為了減少重量，電路板尺寸應(yīng)當(dāng)盡量小。 抗干擾措施（1）加旁路電容[40]：F28335是采用先進的CMOS工藝制造的，具有低耗高性能的特性。這些因為跳變產(chǎn)生的假信號應(yīng)該在寫入感應(yīng)電路前濾除掉。（2）地線抗干擾的措施：，模擬電是由數(shù)字電產(chǎn)生的。硬件布線中，強信號的地線和弱信號的地線分開，對每部分的地線（數(shù)字地、模擬地和功率地）分別覆銅，使用0歐姆電阻單點連接。晶振的下拉電容放在離引腳比較近的位置[40]可以減少其對其他器件的干擾。（5）A/D轉(zhuǎn)換部分抗干擾措施[34]：在模擬電路中加旁路電容可以減少供電噪聲的進入；任何沒有使用的ADC的輸入引腳連接到模擬地上，以防ADC模塊從引腳的周圍得到電壓噪聲；確保任何數(shù)字信號引腳都不要連接到模擬地。 PCB布局及注意事項四旋翼無人直升機的硬件電路板設(shè)計為雙層板，大小為7CM7CM。 元器件布局元器件的布局遵循以下原則[41]：（1）把相關(guān)元器件盡量靠近。大電流電路、開關(guān)電路遠(yuǎn)離DSP。為了減少噪聲傳入信號電路，系統(tǒng)設(shè)計時將運算放大器輸入引腳靠近陀螺儀，輸出引腳靠近DSP的A/D輸入引腳。硬件系統(tǒng)使用的一些插接件，比如電源輸入引腳、JTAG口和PWM輸出接口等也應(yīng)放在電路板的邊緣部分，這樣可以減少插拔器件時損壞電路板的其他部分。（2）在關(guān)鍵元器件如DSP、傳感器旁邊加去耦電容。（3）數(shù)電、模電分開布局