基于GPS与AHRS 的四轴飞行器悬停算法研究

leixiaofeng · 发表于 2015-4-2 13:00:15

近年来，飞行器不仅广泛用于民用事业和满足国防需求、还被利用于进行太空操作和实验等。对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼、扑翼这 3种形式。蝶形飞行器属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说蝶形飞行器由于能够共享电池、控制电路板等，因此结构更紧凑，能产生更大的升力，而且可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡，而不需要专门的反扭矩浆。国内对蝶形飞行器的研究
起步较晚。其中四轴飞行器也就属于蝶形飞行器的一种。四轴飞行器具有 4 个旋桨( 其结构简图见图 1所示) 。两两相对呈十字交叉结构，桨的转向分正转和反转，这样可抵消模型自身的旋转。 4 个桨转动时的离心力是分散的，不像直机的桨，只有一个能产生集中的离心力形成陀螺性质的惯性离心力，保持机身平稳使之避免翻到。四轴飞行器为了能够快速反应，以应对姿态变化引起的飘移，需要高反应速度的电子调速器，因而用高速专用电调， I2C 总线接口传送控制信号，可达到每秒几百上千次的电机转速变化，在四轴飞行时，姿态时刻能够保持稳定，即使受到外力突然冲击，依旧保持平稳。上述的四轴飞行器内部控制 ( 内环控制 ) 是一套平行系统，可以大大的简化操作者的操作强度与提高四轴飞行器的稳定性。而要实行完全的自动控制，尤其是自动悬停，就必须要有第二环的外部控制( 即外部智能控制系统) 。四轴飞行器的外环控制，是独立于内环控制的额外添加的控制系统，而这要求用更多高质量的传感器采集更多可靠参数。而这对其质量体型细小、动力有限、控制过于灵敏、难以平衡的四轴飞行器来说，是不可能带上沉重而宽大的设备飞行的，只能够尽量减少设备的重量、体积与数量。这样就与其本身结构具体的情况出现矛盾。在此经过大量的资料翻查以及寻案提问，决定利用体型微小且质量也很小的微型设备，如民用全球卫星定位系统( Global Position System ) 、电子航向系统Attitude Heading Reference System) 和超声波测距仪等定位仪器进行定位数据采集，把采集的数据利用地面处理器(MCU) 处理成与舵机所读信号相符的数据，通过数传模块把数据传输到四轴上，再经过四轴的内部控制环处理后控制四轴飞行器电调，使之做出要求的动作。本文中就如何使用这种方法来处理四轴飞行器定点飞行与悬停的问题进行了研究。
1 四轴飞行器的悬停与有地效悬停
1. 1 四轴飞行器的飞行原理
四轴飞行器飞行原理与直升飞机类似，都属于垂直起降旋翼飞行器类型。则不同之处为旋翼数量有 4 个，没有尾桨，且都为单层桨，其扭矩的平衡是通过各浆转速灵敏的调节来实施。其飞行动作为横滚 Roll ( 左、右平移飞行) ，俯仰 Pitch( 前、后平移飞行) ，航向 Yaw ( 左、右旋转飞行) 。
1. 2 四轴飞行器的悬停与有地效悬停
在航空领域，悬停是指航空器在一定高度上保持空间位置基本不变的飞行状态。悬停是直升旋翼飞机最主要的飞行特色，也是直升机的最基本科目，因为不管是从事巡航飞行、搬运还是其它任务，绝大部分飞行都是“起于悬停、止于悬停” ，而四轴飞行器也是属于直升旋翼飞机类别，故悬停是四轴飞行器的重要要动作之一。悬停可分为两类，一种为有地效悬停，另一种为无地效悬停。所谓地效是指地面效应，即当四轴飞行器距离地面比较近时，其旋翼下洗气流会受到地面的影响，地面阻碍造成的流场变化使旋翼消耗的诱导功率( 用于加速流经旋翼的空气) 减小，也就是说此时四轴飞行器保持悬停所需功率要小于没有地面效应的时候。所以在有地效时，四轴飞行器能在更高的高度上保持悬停，这也是具体四轴飞行器的有地效升限高于无地效升限的原因。一般情况下，四轴飞行器在起飞和着陆过程中的悬停均为有地效悬停［1 ， 2］。
2 四轴飞行器的控制系统［3］
经过实验和分析，决定利用体型和质量较小的微型设备，如民用全球卫星定位系统(Global Position System ) 、电子航向系统( Attitude Heading Reference System) 和超声波测距仪等定位仪器进行定位数据采集，把采集的数据利用地面处理器(MCU) 处理成与舵机所
读信号相符的数据，通过数传模块把数据传输到四轴上，再经过四轴的内部控制环处理后控制四轴飞行器电调，使之做出要求的动作。
本系统主要处理四轴飞行器的定点飞行与悬停。GPS 进行坐标定位， AHRS 传感器收集姿态及航向数据进行姿态修正，超声波测距仪收集高度数据进行定高，与此同时而最需要的是有一套完善的控制系统算法与之相结合，从而实行完全的自动控制，尤其是自动悬停，故必须要有一套外部智能控制系统。本文中就其问题的解决方法: 设计一套能够将 GPS 与 AHRS 融合一起，进行外环控制操作的算法［4 ～ 7］。