四旋翼无人飞行器控制器的设计与实现

• 作 者: 金大鹏
• 发表日期: 2010年期
• 关键词: 四旋翼无人飞行器 微控制器 无线通信 多智能体 CAN总线通信

四旋翼(Quad-Rotor)无人飞行器是一种四螺旋桨驱动的、能够垂直起降的飞行器,由前后与左右两组旋翼组成,旋转时方向相反,因此与一般直升机最主要的不同点是四旋翼无人飞行器不需要用尾桨来平衡机体。特别适合在近地面环境中执行监视、侦察等任务,具有广阔的军事和民用前景。根据四旋翼飞行器侧重于重量轻、体积小、功耗低、性价比高的特点,提出了一种基于数字式的飞行控制系统。首先,围绕四旋翼无人飞行器的自主飞行控制问题,以遥控航模Draganflyer Helicopter V Ti为飞行平台,对四旋翼飞行器的动力学、运动学特性进行分析,并以此为理论根据得出了其6种飞行运动状态的控制方法。其次,采用模块化设计思想,设计开发了以C8051F040高性能单片机为核心控制器的飞行控制系统,主要包括飞行控制计算机、四旋翼电机驱动控制器、无线通信子系统、传感器子系统和CAN总线通信子系统。本文对各个子系统的设计思想和工作原理均做了详细的说明,同时根据硬件原理图和系统的实际需求进行了软件设计,并做了大量软硬件调试工作,基本解决了设计中存在的问题。最后,为了达到遥控和自主飞行控制的目的,在本系统中首先设计了以无线通信为平台的地面控制站与机载计算机的无线通信协议,完成了地面控制站对飞行器的远程遥控。其次,以CAN总线通信技术和多智能体技术为依托,设计了智能体之间的信息交流格式,完成了中心主控制器与旋翼控制器的广播通信以及旋翼控制器之间的点对点通信。最后研究了四旋翼无人飞行器控制系统的自主飞行控制方案,提出了基于多智能体协作的控制策略,初步实现了简单运动姿态的控制,同时也为以后执行更复杂的任务,例如定点飞行、避障和多机协调飞行等打下一定的基础。