CN105573333A - 一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法：(1)电源及稳压电路为控制板各模块提供电源，控制板上电后初始化各模块，若接收到校准信号则对陀螺仪清零，否则主控模块接收来自陀螺仪模块的数据并进行Kalman滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前飞行器的姿态，应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法，通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整；(2)主控模块根据PID算法输出PWM信号通过MOS管驱动电机工作，同时陀螺仪模块继续检测当前飞行角度反馈给主控模块，无线模块接收来自遥控器的数据并送入主控模块中进行处理以执行相应的动作；该方法设计合理，原理科学。

Description

一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法

技术领域：

本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种控制方法，特别是一种适用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其采用模块化结构设计的控制板，具有通用性高、易维护、参数可实时调节等特点。

背景技术：

四旋翼飞行器是一种六自由度垂直起降飞行器，能够完成悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，也是一种具有四个呈十字形交叉结构螺旋桨的飞行器，相对的四旋翼具有相同的旋转方向，与传统意义上的直升机相比，其具有结构和控制简单、制造精度要求低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势，因而在无人侦察、交通管理、森林防火、城市巡逻等领域具有广阔应用前景，成为国际上的研究热点。四旋翼飞行器实现稳定飞行与巡航的前提是通过一定方式调节其飞行参数，并对飞行过程中的飞行器进行遥控。飞行参数和遥控指令决定了飞行器的飞行平稳度和飞行方向，因此飞行器的遥控和参数调节方式在飞行器的控制方面格外重要；另外，由于四旋翼飞行器的控制部分由驱动模块、无线通讯模块以及控制模块等多个负责不同功能的模块构成，因此各个模块之间连接与拆卸的方便性也较为重要。

现有技术中的四旋翼飞行器大都存在以下缺点：

(1)结构方面：市面上大部分四旋翼飞行器采用了一体式的结构，这种设计虽然方便量产也符合美观，但是不能满足广大四旋翼专业用户对机体的可模块化拆卸诉求，在遇到电路上某个模块损坏的情况下，往往需要更换整个控制电路或驱动电路，这对于用户来说更换的成本太高，而且也造成了不必要的浪费；

(2)控制芯片方面:市面上绝大多数飞行控制芯片使用的是国外的16位及32位单片机，成本较高的同时使得国内飞行控制芯片市场长期萎靡。因此本发明设计出一种新型的适用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，以国产芯片作为控制芯片，通过模块化结构设计、配备的遥控器和上位机软件进行遥控和参数调节，实现精准的控制。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，所涉及的模块式控制板不仅打破了国外芯片在飞行控制板市场的垄断地位，而且易于改装调试方便控制。

为了实现上述目的，本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法具体包括以下步骤：

(1)电源及稳压电路为控制板各个模块的正常工作提供合适的电源，控制板上电后初始化各模块并开启中断，此时若接收到校准信号则对陀螺仪进行清零，否则主控模块接收来自陀螺仪模块的数据并进行滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前四旋翼飞行器的姿态，应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法(即比例-积分-微分控制)，通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整以获得更好的性能；所述PID算法公式如下所示：

$U_k=Kp*e_k+{\mathrm{Ki\Σ}}_{j=0}^k{e}_j+Kd(e_k-e_{k-1})$

其中Uk为系统产生的总的控制作用；e_k为当前系统偏差；e_j为系统偏差的过去值；e_k-e_k-1为当前系统偏差与上次系统偏差之差；Kp为比例调节系数，能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，克服干扰能力较强，控制及时，过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差；Ki为积分调节系数，反映积分作用的强弱，积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；Kd为微分调节系数，反映微分作用的强弱，能改善系统的动态性能，微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用；

(2)主控模块根据PID算法输出四路PWM信号通过四个MOS管驱动四个电机工作以调整四旋翼飞行器姿态，同时陀螺仪模块继续检测当前飞行角度反馈给主控模块以实现四旋翼飞行器姿态的实时动态调整，无线模块接收来自外部独立配置的遥控器的数据并送入主控模块中进行处理以执行相应的动作。

优选的，本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法是采用模块式控制板实现的，该模块式控制板主体结构包括主控模块、无线模块、陀螺仪模块、电源及稳压电路、电机及驱动模块，电源及稳压电路分别与主控模块、无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接以提供电源，主控模块分别与无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接，用于接受并处理来自无线模块和陀螺仪模块的数据信息，无线模块负责传输控制信息，陀螺仪模块用于检测飞行姿态，电机及驱动模块在主控模块产生的PWM信号控制下为飞行器提供动力；主控模块与陀螺仪模块之间通过I2C协议进行数据传输通讯，主控模块与无线模块之间通过SPI协议进行数据传输通讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制。

进一步的，所述主控模块为宏晶科技有限公司生产的型号为IAP15W4K58S4的8位单片机，主要功能是接收来自陀螺仪模块的角度信息并求解出四元数以得出当前姿态，并根据控制算法产生四路PWM信号控制电机转速以达到调节四旋翼飞行器姿态的目的。所述无线模块为NRF24L01芯片，该芯片是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHzISM频段的单片无线收发器芯片；主要功能是接收来自外部独立配置的遥控器的指令并发送给主控模块，其与主控模块单片机的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、P1.1、P4.7引脚相接。所述陀螺仪模块为MPU6050，MPU6050是六轴运动处理传感器，它集成了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，其对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC；主要功能是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，并通过I2C接口与主控模块进行通讯，其与主控模块单片机的P0.0和P4.6引脚相接。所述电源及稳压电路为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路，该电路是先将3.7V的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后以获得供给各个模块的标准工作电压。所述电机及驱动模块为高速空心杯电机和MOS管，其采用高速空心杯电机为动力装置，采用MOS管作为功率管；其与主控模块单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P3.7引脚相接。

优选的，所述上位机软件是通过USB接口连接模块式控制板的，其包括飞行姿态显示和飞行姿态控制两部分，以分别实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数与显示飞行姿态的功能。

本发明与现有技术相比，使用的控制芯片为国产8位单片机，有效降低了成本，采用模块式的结构设计模式，使得单一模块可拆卸更换从而降低了维修成本，同时也为不同需求的用户提供了多种选择；控制板上预留有与上位机软件连接的接口，以便于对飞行参数调整修改和飞行姿态算法的升级；整体方法设计合理，原理科学，自动化程度高，涉及的控制板结构简单，使用方便，易于操作。

附图说明：

图1为本发明涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制板中控制电路的结构模块示意图。

图2为本发明中涉及的主控模块的电路结构图。

图3为本发明涉及的陀螺仪模块的电路结构图。

图4为本发明涉及的无线模块的电路结构图。

图5为本发明涉及的电源及稳压电路的电路结构图。

图6为本发明涉及的电机及驱动模块的电路结构图。

图7为本发明涉及的飞行姿态显示流程图。

图8为本发明实施例3中涉及的上位机软件主窗口。

图9为本发明实施例3中涉及的3D模型控件。

图10为本发明实施例3中涉及的PID参数调节流程图。

图11为本发明实施例3中涉及的指令代码。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述，但本发明并不仅限于以下实施方式。

实施例1：

本实施例涉及的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法具体包括以下步骤：

(1)电源及稳压电路4为控制板各个模块的正常工作提供合适的电源，控制板上电后初始化各模块并开启中断，此时若接收到校准信号则对陀螺仪3进行清零，否则主控模块1接收来自陀螺仪模块3的数据并进行Kalman滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前四旋翼飞行器的姿态，应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法(即比例-积分-微分控制)，通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整以获得更好的性能；所述PID算法公式如下所示：

$U_k=Kp*e_k+{\mathrm{Ki\Σ}}_{j=0}^k{e}_j+Kd(e_k-e_{k-1})$

其中Uk为系统产生的总的控制作用；e_k为当前系统偏差；e_j为系统偏差的过去值；e_k-e_k-1为当前系统偏差与上次系统偏差之差；Kp为比例调节系数，能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，克服干扰能力较强，控制及时，过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差；Ki为积分调节系数，反映积分作用的强弱，积分作用会使系统稳定性降低，但在过渡过程结束时无余差；Kd为微分调节系数，反映微分作用的强弱，能改善系统的动态性能，微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用；

(2)主控模块1根据PID算法输出4路PWM信号通过四个MOS管驱动四个电机工作以调整四旋翼飞行器姿态，同时陀螺仪模块3继续检测当前飞行角度反馈给主控模块1以实现四旋翼飞行器姿态的实时动态调整，无线模块2接收来自外部独立设置的遥控器的数据并送入主控模块1中进行处理以执行相应的动作；例如使主控模块1输出的PWM信号发生改变以人为干预姿态的调整，若四旋翼飞行器长时间未收到遥控器信号则会触发失控保护平稳降落。

实施例2：

本实施例以实施例1中所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法为例，其所使用的模块式控制板主体结构包括主控模块1、无线模块2、陀螺仪模块3、电源及稳压电路4、电机及驱动模块5，电源及稳压电路4分别与主控模块1、无线模块2、陀螺仪模块3和电机及驱动模块5电连接以提供电源，主控模块1分别与无线模块2、陀螺仪模块3和电机及驱动模块5电连接，用于接受并处理来自无线模块2和陀螺仪模块3的数据信息，无线模块2负责传输控制信息，陀螺仪模块3用于检测飞行姿态，电机及驱动模块5在主控模块1产生的PWM信号控制下为飞行器提供动力；主控模块1与陀螺仪模块3之间通过I²C协议进行数据传输通讯，主控模块1与无线模块2之间通过SPI协议进行数据传输通讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制。

本实施例中涉及的主控模块1为宏晶科技有限公司生产的型号为IAP15W4K58S4的8位单片机(如图2所示)，相比传统的8051单片机在性能上有了提升且资源丰富，相较于国外的16位及32位单片机成本较低，但性能能够达到控制四旋翼飞行器平稳飞行的要求；主要功能是接收来自陀螺仪模块3的角度信息并求解出四元数以得出当前姿态，并根据控制算法产生四路PWM信号控制电机转速以达到调节四旋翼飞行器姿态的目的。

本实施例中涉及的无线模块2为NRF24L01芯片(如图3所示)，该芯片是由NORDIC生产的工作在2.4GHz-2.5GHzISM频段的单片无线收发器芯片；主要功能是接收来自外部独立配置的遥控器的指令并发送给主控模块1；其与单片机的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、P1.1、P4.7引脚相接。

本实施例涉及的陀螺仪模块3为MPU6050(如图4所示)，MPU6050是6轴运动处理传感器，它集成了3轴MEMS陀螺仪、3轴MEMS加速度计，其对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC；主要功能是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，并通过I2C接口与主控模块1进行通讯；其与单片机的P0.0和P4.6引脚相接。

本实施例中涉及的电源及稳压电路4为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路(如图5所示)，该电路是先将3.7V的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后获得的供给各个模块的标准工作电压。

本实施例中涉及的电机及驱动模块5为高速空心杯电机和MOS管(如图6所示)，采用高速空心杯电机为动力装置，采用MOS管作为功率管；其与单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P3.7引脚相接。

实施例3：

目前四旋翼飞行器的飞行控制板上位机软件，主要是针对16位的AVR单片机和32位的STM32单片机设计的，国产芯片IAP15W4K58S4单片机即主控模块1并没有四旋翼飞行器的飞行控制板上位机软件；因此本实施例中设计了用于主控模块1国产芯片IAP15W4K58S4单片机的上位机软件；所涉及的四旋翼飞行器的模块式控制板能够通过USB接口连接上位机软件，实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数与显示飞行姿态的功能；所述连接主控模块1的上位机软件包括飞行姿态显示和飞行姿态控制两部分：

(1)飞行姿态显示(具体流程如图7所示)

具体实现过程如下：

步骤一：开始，打开上位机软件(主窗体如图8所示)。

步骤二：初始化软件，包括：

加载上位机界面；

加载3D模型控件(3D模型控件如图9所示)

步骤三：设置计算机串口控制参数，包括：

设置串口端口号

设置波特率

设置串口通讯方式

步骤四：判断串口是否被打开，若串口被打开，则执行步骤五，否则继续执行步骤四的判断操作，直到串口被打开；

步骤五：接收四旋翼飞行器的模块式控制板传来的数据包即陀螺仪模块3所测量的实时角度值(飞行器的横滚角、俯仰角和航向角)，也就是读取下位机通过串口传来的数据包；

步骤六：判断数据包校验是否合格，即判断数据包中的数据是否完整；若校验合格，则执行步骤七，否则转到步骤四继续执行判断操作，直到数据包校验合格；

步骤七：数据包解码，通过解码会得到主控模块1发送的飞行姿态信息；

步骤八：判断这些陀螺仪模块3所测量的实时角度值有没有相对上次读取的数据发生改变，若没有改变，则转到步骤四，否则进入步骤九；

步骤九：姿态显示，上位机软件将读取的实时角度信息传递给3D模型控件，3D模型控件根据传递过来的横滚角、俯仰角和航向角的值显示姿态，完成显示飞行姿态的功能；

步骤十：结束。

(2)飞行姿态控制

上位机软件通过调整用于四旋翼飞行器的模块式控制板的PID参数(具体如图10所示)，实现四旋翼飞行器的姿态控制；所述PID参数调节过程如下：

步骤一：开始，打开上位机软件；

步骤二：初始化软件，加载上位机界面；

步骤三：串口控制参数设置，包括：

设置串口端口号

设置波特率

设置串口通讯方式

步骤四：判断串口是否被打开，若串口被打开，则执行步骤五，否则继续执行步骤四的判断操作，直到串口被打开；

步骤五：判断用户是否输入指令代码，若用户已经输入指令代码，则执行步骤六，否则继续执行步骤五的判断操作，直到用户输入指令代码(指令代码如图11所示)；

所述指令代码含义为：

指令1——显示目前Kp参数的值

指令2——修改Kp参数的值

指令3——显示目前Kd参数的值

指令4——修改Kd参数的值

指令5——开始显示角度波形

指令6——结束

步骤六：判断用户输入的命令是否有效，即判断用户输入的命令的格式是否正确；若命令的格式不正确，则提示用户重新输入命令并转到步骤五，若命令的格式正确则执行步骤七；

步骤七：根据命令修改参数，即接收用户输入的修改PID参数的命令，根据命令判断用户是要修改哪一个参数，以及将参数修改成用户输入的值，上位机软件将通过串口把判断得出的信息发送给主控模块1，主控模块1根据判断得出的信息修改PID参数，实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数的目的；可修改的参数包括Kp和Kd：

Kp为比例调节系数，能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，克服干扰能力较强，控制及时，过渡时间短，但在过渡过程终了时存在余差；

Kd为微分调节系数，反映微分作用的强弱，能改善系统的动态性能。微分作用能产生超前的控制作用，可以减少超调，减少调节时间；但对噪声干扰有放大作用；

步骤八：结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此；任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)电源及其稳压电路为控制板的各个模块的正常工作提供电源，控制板上电后初始化各模块并开启中断，此时若接收到校准信号则对陀螺仪进行清零，否则主控模块接收来自陀螺仪模块的数据并进行滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前四旋翼飞行器的姿态，再应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法，通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整以获得更好的性能；所述PID算法公式如下所示：

$U_k=Kp*e_k+{\mathrm{Ki\Σ}}_{j=0}^k{e}_j+Kd(e_k-e_{k-1})$

其中Uk为系统产生的总的控制作用；e_k为当前系统偏差；e_j为系统偏差的过去值；e_k-e_k-1为当前系统偏差与上次系统偏差之差；Kp为比例调节系数，能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，克服干扰能力较强，控制及时、过渡时间短，在过渡过程终了时存在余差；Ki为积分调节系数，反映积分作用的强弱，积分作用使系统稳定性降低，在过渡过程结束时无余差；Kd为微分调节系数，反映微分作用的强弱，能改善系统的动态性能，微分作用能产生超前的控制作用，能够减少超调和调节时间，对噪声干扰有放大作用；

(2)主控模块根据PID算法输出四路PWM信号并通过四个MOS管驱动四个电机工作以调整四旋翼飞行器姿态，同时陀螺仪模块继续检测当前飞行角度反馈给主控模块以实现四旋翼飞行器姿态的实时动态调整，无线模块接收来自外部独立配置的遥控器的数据并送入主控模块中进行处理以执行相应的动作，实现对四旋翼飞行器的控制。

2.根据权利要求1所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于采用模块式控制板实现飞行器的控制，模块式控制板的主体结构包括主控模块、无线模块、陀螺仪模块、电源及稳压电路、电机及驱动模块，电源及稳压电路分别与主控模块、无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接以提供电源，主控模块分别与无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接，用于接受并处理来自无线模块和陀螺仪模块的数据信息，无线模块负责传输控制信息，陀螺仪模块用于检测飞行姿态，电机及驱动模块在主控模块产生的PWM信号控制下为飞行器提供动力；主控模块与陀螺仪模块之间通过I2C协议进行数据传输通讯，主控模块与无线模块之间通过SPI协议进行数据传输通讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制。

3.根据权利要求2所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于所述主控模块为型号IAP15W4K58S4的8位单片机；主要功能是接收来自陀螺仪模块的角度信息并求解出四元数以得出当前姿态，并根据控制算法产生四路PWM信号控制电机转速以达到调节四旋翼飞行器姿态的目的。

4.根据权利要求2所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于所述无线模块为NRF24L01芯片，该芯片是工作在2.4GHz-2.5GHzISM频段的单片无线收发器芯片，功能是接收来自外部独立配置的遥控器的指令并发送给主控模块；无线模块与主控模块单片机的P6.1、P6.2、P6.3、P1.0、P1.1、P4.7引脚相接。

5.根据权利要求2所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于所述陀螺仪模块为MPU6050，MPU6050是六轴运动处理传感器，其集成了三轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计，对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，功能是将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，并通过I2C接口与主控模块进行通讯；陀螺仪模块与主控模块单片机的P0.0和P4.6引脚相接。

6.根据权利要求2所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于所述电源及稳压电路为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路；先将3.7V的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后以获得供给各个模块的标准工作电压。

7.根据权利要求2所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于所述电机及驱动模块为高速空心杯电机和MOS管，采用高速空心杯电机为动力装置，采用MOS管为功率管；电机及驱动模块与主控模块单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P3.7引脚相接。

8.根据权利要求1所述的用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于上位机软件通过USB接口连接模块式控制板，上位机软件包括飞行姿态显示和飞行姿态控制两部分，以分别实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数与显示飞行姿态的功能。