基于Pixhawk飞控的四轴飞行器编队控制分析.doc

基于Pixhawk飞控的四轴飞行器编队控制分析
摘 要:在单架四轴飞行器稳定飞行的基础上,对飞行编队的控制策略进行研究。在整个过程中,分析四轴飞行器的飞行原理,研究飞行控制与导航方法,通过强大的开源飞控平台和稳定的算法运算,保控制算法
Pixhawk飞控控制算法最突出的特点是由NuttX实时操作系统进行统一管理和调度各个线程。各线程之间相对独立,使飞控的易用性、代码的移植性增强,便于编程人员对模块化的算法进行维护。控制算法的核心是基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的姿态解算。姿态解算算法的作用就是将加速度计、陀螺仪等传感器的测量值经过去噪声滤波及数据融合,解算出姿态角,进而作为系统的反馈量,从而形成闭环反馈控制系统。
软硬件平台兼容调试
以Pixhawk开源飞控控制算法为核心,分三步实现对四轴飞行器的实时有效控制。
第一步:接收外部实时有效数据。包括用户通过远程遥控发送的控制四轴飞行器姿态的通道量和飞行模式、GPS采集到的当前经纬度和时间、各个传感器的初始数据。第二步:进行滤波处理和数据融合。对四轴飞行器进行位置预测、位置控制、姿态预测、姿态控制,解算出相关数据,并将数据进行矩阵处理,转换为四个端口的PWM信号,进行输出。第三步:根据输出的PWM信号不同的占空比,外部动力源通过电子调速器的输出电流驱动无刷电机产生不同的转速,从而实现对四轴飞行器的有效控制。
2 自主设计并实现四轴飞行器编队控制
搭建“集中式”通信网络
现编队控制的通信网络有两种较为主流的搭建方式,一种是“分布式”通信网络,另一种是“集中式”通信网络。采用“分布式”的通信网络的编队控制需要每架四轴飞行器上携带一个强大的计算中心,用于运行编队控制算法,从而实现四轴飞行器与周围邻居几个四轴飞行器密集的数据交互;而采用“集中式”的通信网络的编队控制则只需要一个计算中心来统筹计算控制命令,与通信网络中其他节点的四轴飞行器建立无线通信连接并向它们发送指令即可。搭建“分布式”通信网络尽管可以减少通信上的延时,但是极大的占用飞行动力与功耗。而搭建“集中式”通信网络不仅功耗低、占用较少的资源,而且在工程上实现也较为容易。
“集中式”通信网络的搭建是四轴飞行器保持飞行编队的重要组成部分。由于通信网络节点必须达到稳定可靠、实时高效的效果,所以设计通信网络时,在节点硬件上要求成本较低、能耗较少,在软件技术上必须支持多跳的路由协议。在通信技术选取上,通过文献[5],了解到ZigBee技术是一种低速率、低功耗、低复杂度、低成本的双向无线通信网络技术,传输范围一般在一千米以内,以自组织方式构成无线通信网络。在硬件选取上,采用基于ZigBee技术的XBeeS3B通信模块,该模块是一种远距离低功耗的数传模块,、900M、868M三种频段,。可组mesh网络,冗余特性强,数据帧信息全面,数据准确可靠,并且在终端通过X-CTU软件方便调试。每个模块都可以做为路由节点,协调器,以及终端节点。
选取“领航-跟随”编队控制策略
基于“领航-跟随”法的编队控制策略,需要在编队中选取一位领航者,剩余所有的机体都作为僚机。而所有的僚机在飞行之初通过矩阵就已经设定好位置和角度,只需在编