无人机的双闭环模糊控制优化

无人机的双闭环模糊控制优化

赵国柱

（中国民用航空飞行学院模拟机训练中心四川广汉中国618307）

摘要：设计的飞行控制系统采用自动导航算法的优化以及PID控制算法和模糊控制算法的结合运用实现定位和轨迹设定。在该飞控的控制下，多轴植保无人机可以实现农药喷洒，且达到3KG以上载重的农药喷洒，持续作业时间不低于20分钟的技术要求。

关键词：无人机；PID；飞控

1引言

中国有18亿亩耕地，每年每亩的农药喷洒人力成本约为100元，总额是1800亿的市场规模，即便折算三分之一，也有600亿的市场规模。如果能拿下这块市场，将彻底实现无人机喷洒农药模式。致力于喷洒农药的植保无人机将承载中国数亿农民的农业现代化的梦想！

多轴植保无人机应用潜力并没有被完全开发出来的主要原因是飞控技术以及整体解决方案不够成熟。开发一部基于微控制器的稳定且安全的飞控系统和原理样机尤为重要。该飞控可以用于控制多轴无人机，农药喷洒等飞行作业任务，无人机在脱离无线电遥控下可以顺利降落，避免脱离控制区域。现存在的主要技术问题：具有自主支持产权的多轴无人机飞控系统硬件电路控制板和样机都相对比较成熟，有很多商业化的产品，例如深圳大疆科技的无人机已经在航拍领域占有了40%左右的市场份额，而多轴植保无人机发展相对滞后。而目前通用航空领域的植保用民用飞机可能会被植保无人机逐步代替[1-2]。

飞控中设计了GPS+电子罗盘导航系统，可按照地面站要求的轨迹进行飞行。多轴无人机（Multirotor），是一种具有两个旋翼轴以上的旋翼航空器。由每个轴末端的电动机转动，带动旋翼产生上升动力。旋翼的角度固定而不像直升飞机那样可变。通过改变不同旋翼之间的相对速度可以改变推进力的扭矩，从而控制无人机的运行轨迹，该种无人机的核心部件是飞控系统[1-2]。

飞控系统分为人工飞行控制系统和自动飞行控制系统两大类。由飞行员通过对驾驶杆和脚蹬的操纵实现控制任务的系统，称为人工飞行控制系统。最简单的人工飞行控制系统就是机械操纵系统。自动飞行控制系统是不依赖于驾驶员操纵驾驶杆和脚蹬指令而自动完成控制任务的系统[3-5]。该项目所要研究的就是这种自动飞行控制系统，一般也简称为飞控系统。除个别的开环操纵系统（如机械操纵系统）外，基本上所有的飞控系统都采用了闭环反馈控制的工作原理。对于喷撒农药的植保无人机而言，没有驾驶员，其所有的操作就变成了飞行程序。

2无人机硬件整体设计

2.1无人机模块设计

多轴无人机飞控系统和固定翼无人机不同，固定翼无人机分为主飞行控制系统和辅助飞行控制系统。主飞行控制系统包含副翼、升降舵、方向舵。他们控制着飞机绕3个主要飞行运动轴运动，他们分别是横滚（ROLL）、俯仰（PITCH）、偏航（YAW）。而辅助控制系统则用来提升飞机的性能特性，辅助控制系统包含襟翼和各配平系统。多轴无人机飞控系统控制的是多轴的螺旋桨电机，从而改变旋翼之间的相对速度，通过改变相对速度达到改变推进力扭矩的变化。该方式最终改变了多轴机身周围的气压分布，这样飞行程序才能够操控飞机沿3个轴向运动。飞机表现出来的稳定性类型也和3个轴向的旋转有关[5-7]。

致力于开发一种实用性强、安全性高的多轴无人机用于提高生产效率则意义重大。这种实用型多轴无人机将被广泛应用于我们的工作生活中，比如：在救灾中，多轴无人机可以深入到环境状况复杂的灾难现场，比如这次的天津爆炸事故！无人机就发挥了关键作用，无人机将天津爆炸事故后的灾难现场的实时信息，环境状况传输回来，供救灾人员分析，提高了救灾的效率和救灾人员安全性。并且克服了陆地工具需要跨越地面障碍的困难，使用起来更加方便。同样，在野外生存、探险，科学考察，军事侦察、监视等方面，多轴无人机同样具有巨大的应有潜质[1-2]。

航拍和喷洒农药等功能都是多轴的应用前景。目前、多轴无人机外型相对飞机来说小很多，其核心部件依然是飞控系统，所以设计出一部基于微控制器的稳定性高，安全性好，实用性强的植保无人机样机尤为重要。

就目前的研究状况来看，装备了飞控的航拍类多轴无人机已经较为成熟，国内的大疆、级飞、零度，亿航等无人机公司都有很强的研发实力和市场占有率，但是植保类无人机应用潜力却没有完全被开发出来。植保无人机需要有较高的载重量，在此载重量的作业任务下可以持续飞行，并且可以实现农药喷洒的控制，以及农田中作业轨迹的规划和执行。而这些核心技术在当前民用无人机研究领域还是处于有待攻克的堡垒。

国内无人机近几年来发展几乎可以说是突飞猛进，民用无人机市场已经是一片红海。国内知名的大疆公司的航拍无人机飞控系统核心器件采用工业级成熟的浮点型DSP或者ARM控制器芯片，适合于不同大小的无人机。硬件技术上以系统的可靠性为设计的最高准则，各个模块都有自己独立的控制器进行工作，各种数据的输入输出都进行了有效的电路保护和隔离。大疆公司已经成为了世界级的公司了，估值高达100亿元，在航拍领域已经是绝对的佼佼者，但是植保类无人机却是它的弱项。植保无人机不需要很高的飞行高度，但是需要有较高的载重量，在作业任务下可以持续飞行，并且需要实现农药喷洒的控制，以及农田中作业轨迹的规划和执行。而这些核心技术在当前民用植保类无人机研究领域还是处于薄弱环节。另外，在垂直方向的精确控制、抗风性能、航迹的规划这些问题都是亟待增强的。

3无人机程序设计及调试

3.1程序整体控制策略

除了用电机PD程序对于位置偏差量进行控制外，对位置控制也进行了PID闭环控制。在P控制成功的基础上实现了PID控制方案。通过不断调试，实现了自动行进。

3.2无人机控制策略

处理器根据光电传感器采集回来的信息，进行分析和计算。对于不同的信息，PWM模块就给舵机不同的值，使舵机摆动不同的角度。采用PID控制时，在不同的弯道处给定不同的PWM值，舵机可以随时跟踪给该定值，不会有太大的静差。由于加入了微分控制，响应速度较快。

由于舵机本身是闭环系统，静差不会太大，不需要积分环节，需要提升的只是舵机响应的速度，所以采用了PD控制。在调试中发现，普通的PD程序并不能满足控制要求，主要原因是光电传感器传递的是点状信号，不能达到普通的PD要求的连续的信号。通过分段选取PD参数，最终可以实现对舵机的准确控制。

3.3多轴样机研制

无人机导航时采用几种组合导航的方式来互相弥补。开发一部基于微控制器的稳定性高，可控性，实用性强的多轴无人机的飞控系统，通过设计飞控板和飞控程序，控制多轴无人机能够在飞行程序的控制下实现自主飞行和定位。同时，也可以通过使用者的无线电遥控器完成相应的动作。

最后在无人机的运动学数学模型的基础上，对导航数据进行卡尔曼滤波，从而提高了无人机的导航精度。利用系统故障诊断得到数据，通过数学建模进行优化分析，从而得出合理的设计思想，并对该多轴植保无人机飞控系统软硬件进行综合评估。

设计出四轴或者六轴植保无人机样机一台；用微处理器设计出飞控系统，包括软件系统和硬件主控板系统；为了减少风场干扰，需要设计程序，对风场进行估计，并利用估计的风场进行航位修正，进行航迹控制系统控制量的计算；设计导航程序，实现模式的选择，包括导航任务规划、多种导航模式相互间的切换；地面电脑对飞行控制微处理器进行数据跟踪。对原理样机各个部件进行详细的校对，不断修改程序算法，对各个参数不断修正，并对该多轴无人机飞控系统软硬件进行综合优化和效果评估。

3.4可行性讨论

项目组成员具有设计航模的能力，同时对多轴无人机有早期的研究，相关硬件设备已经完全具备了设计思路、并设计了电路图。对于植保无人机飞控系统的导航飞行程序，可以借鉴国外开源程序进行优化，设计PID程序和模糊控制程序相结合的飞控程序。在实际试验阶段设计者可以和飞手一起对飞控性能进行试飞和评估，不断完善飞控系统的软硬件。图1所示是速度控制程序流程图。

图1.速度控制程序流程图

4结论

该无人机的特点是：设计出具有自主知识产权的多轴无人机飞控系统硬件电路板和多轴植保无人机的样机，抗风性能比普通的航模强。在垂直高度上及低高度进近时无法满足精度要求时，将采用无线电或者红外探测的方式进行弥补。飞控程序采用PID控制算法和模糊控制算法相结合的电机控制策略实现飞控对无人机的精确定位和飞行。

最终，所设计的多轴植保无人机可以实现3KG以上载重的农药喷洒作业任务，持续作业时间不低于20分钟，但是不具备自动避障功能。

参考文献：

[1]古月徐，杨忠，龚华军.基于DSP的飞行控制器的设计[J].自动化技术与应用.2005，24（2）28~32.

[2]董阳择，许志祥.基于H.324的摄像机跟踪监控系统设计[J].微计算机信息，2006年4期（上），63~65.

[3]郭锁风，申建章，吴成富.先进飞行控制系统[M].北京.国防工业出版社，2003.

[4]严晞隽，高金源，屠巴宁.小型无人机水平导航研究[J].飞行力学，2000，18（4）：24~27.

[5]肖永力，张琛.微型飞行器的研究现状与关键技术[J].宇航学报，2001，22（5）26~32.[6]肖宏.MSG-3维修原理浅谈[J].航空工程与维修，1999，2：43-44

[6]张建鹏，刘世前，敬忠良.基于MSP430的舵机控制系统设计[J].微电机.2010（01）

[7]方传中，卢利斌.基于PC/104的无人机飞行控制系统的数据采集[J].战术导弹技术.2006（02）

[8]顾伟，黄志毅，章卫国，刘小雄.飞控系统神经网络故障模式分类方法研究[J].计算机仿真.2011（05）

[9]蒋军昌，屈耀红.基于双积分模型的小型无人机姿态传感器数据滤波[J].计算机测量与控制.2007（10）

作者简介

赵国柱男，1968年生，学历（硕士），单位（中国民用航空飞行学院），职称（工程师），主要研究方向为飞行模拟机维护，计算机技术。

资助信息：中国民航飞行学院面上项目基金（J2016-11）和（J2015-63）