基于微型四旋翼无人机的智能导航系统

　　0　引　　言

　　四旋翼飞行器(quadrotor)有4个旋转的螺旋桨,前后螺旋桨顺时针方向旋转,左右螺旋桨逆时针方向旋。同时2个轴向马达反向旋转方式抵消彼此转矩,从而使四旋翼飞行器能在空中保持悬停。前后螺旋桨推力的差别产生俯仰动作,翻滚动作由左右螺旋桨推力的差别产生;通过改变四旋翼2个轴向的转速来实现自旋。在控制四旋翼飞行器飞行时,只能通过控制飞行器的4个旋翼的升力来改变它的飞行姿态,所以这是1个欠驱动模型。四旋翼飞行器飞行噪音小、飞行稳定、机动性强,应用前景十分广阔,可以应用在电力寻线、国土勘测、防洪救灾、森林防火等领域。在四旋翼飞行器高空飞行时,操控人员无法实时了解飞行状态,需要1套稳定精确高的智能导航系统协助飞行。该领域的研究仍处于起步阶段[1],现阶段四旋翼无人机的进一步的工作仍在继续,最终目标是实现自主飞行和多飞行器集阵列飞行。

　　1　系统的总体设计

　　四旋翼飞行器使用无刷电机取代传统的有刷电机,很大程度上增强了飞行器的稳定性。无刷电机有效率高、转速快、噪音低、稳态转速误差小、没有电火花产生等优点。控制系统主要由飞行控制系统、无刷电机驱动模块、导航控制系统组成。控制系统的原理框图如图1所示。飞行控制系统主控芯片采用AVR单片机,可实现对三轴加速度、三轴角速度等数据的测量,从而完成对飞行姿态的有效控制。飞行控制部分采用PID算法和四元数算法来调整和保持飞行器正常的飞行姿态,并对采集回的传感器测量值进行相应的软件滤波,消除传感器的有害测量值对飞行控制的影响。导航部分采用1种能够精确校准系统误差的辅助手段修正主导航系统的方法来提高导航精度。软件部分还采用了卡尔曼滤波方法来提高自主导航的精度。该系统可以在上位机上规划航行,通过无线通信方式将规划的路径传输给飞行器,导航系统经过路径分析后开始执行自主巡航任务[2]。

　　2　系统硬件设计

　　2.1　飞行控制系统设计

　　飞行控制模块集成了微型陀螺仪、加速度传感器、大气气压传感器等单元。整个控制系统采用了AT MEGA644完成对各种传感器数据的采集、运算处理、飞行姿态稳定控制和任务控制等功能,使机载控制系统根据控制算法处理结果来调整姿态[3]。大气压强传感器选用了MPX6115,在传感器模拟电压输出处加上低通滤波器滤除杂波。由于传感器输出的模拟量跟高度是成线性关系。

　　惯性测量单元如图2所示,采用了美国模拟半导体公司基于微电子机械技术的体积小、重量轻的3个绝对值单轴陀螺传感器ADXRS610和1个三轴加速度传感器LIS344ALH组成IMU惯性测量单元,用于检测系统的加速度变化与角速度的变化。主控系统根据检测到的角速度传感值和加速度传感器值,利用滤波器进行积分及补偿运算估计解算得到姿态角,减少单一利用陀螺仪测量造成的累积误差,从而使控制系统实现四旋翼飞行器可靠的姿态控制[4]。