微型无人机舵机控制系统设计文献综述
2020-04-15 03:04
微型无人机是当前研究的热点，因其具有体积小、灵活性高、便于隐藏，制造及维护的成本低，同时在使用时不会造成人员伤亡等诸多优点，在民用领域和军事领域已经得到广泛应用。基于上述这些优点，微型无人机广泛应用诸如在空防、侦察以及民用领域中的灾情检测、道路监控、矿物检测等方面。然而微型无人机也存在体积小，载重能力小等限制条件，因此，在微型无人机的设计过程中，对其机身搭载的各种设备的体积和重量等也有着严格的要求。
舵机控制系统是无人机中一项关键技术，作为组件，其作用是根据接收到的飞行控制计算机的指令实现对无人机的飞行姿态和飞行轨迹的控制。舵机控制系统既是执行机构又是无人机飞行控制回路的重要反馈，其性能的好坏直接影响着无人机的飞行性能和飞行安全。
由于无人机要求其控制系统具有高精度、高灵敏度和高可靠性，因此对舵机的性能也就提出了更高的要求，促使舵机向着体积小、质量轻、承载能力强、控制性能高的方向发展。
根据动力源的不同，常用的舵机系统可分为液压舵机、气动舵机及电动舵机(Elctromechanicalactuator， EMA)，此外为了增加舵机系统的可靠性，出现了冗余设计的舵机。其中，由于电动舵机具有结构简单、加工装配容易、线路铺设、制造维修及改装方便等特点，还可以与飞控系统使用同一种能源，且易实现余度控制，可靠性高，因此电动舵机广泛应用在微型无人机中[12]。
电动舵机的概念提出于二战期间，随后伴随着新型稀土永磁材料的出现及被广泛应用，微电子技术和集成电路的发展，电力电子技术、电动机技术和现代控制理论的不断完善和进步，电动舵机也得到了充分的发展。
现如今，电动舵机的研究仍然是世界各国的研究热点，国外的许多机构通过开展大量实验来实现无人机用电动舵机的微型化、高精度和高可靠性。Futaba公司研制了一系列用于无人机舵面控制的小功率舵机。Parker宇航开发出具有抗干扰容错，可耐受高温苛刻环境的飞行机电作动器。此外，美国空军、海军和NASA研制的电动作动器，结构紧凑，在F/A－18B系列飞机上进行了测试[10]。
国内对电动舵机同样投入了大量的研究力度，许多高校和研究院对电动舵机的余度控制、容错设计、故障诊断等方面进行了深入研究，但与国外相比，我国在电动舵机的研究及广泛应用等方面都还存在较大差距[12]。{title}
2. 研究的基本内容与方案
{title}此次设计的主要内容是设计一种无人机舵机控制系统，能够实现无人机高性能机动控制。在设计中，首先对无人机的背景和现状进行分析，了解相关的概念以及无人机舵机控制系统的组成和控制方案，然后选择合适的控制算法进行仿真分析，根据仿真效果逐步优化控制算法，之后进行相应的硬件开发与调试，最后做出总结和结果展示。
所设计的系统当中将包括5个小的模块，它们是ARM最小系统、数据采集和通信模块、控制算法模块、PWM产生模块以及各种管理监测模块，在设计过程中，也将按照模块化的方式分别设计这5个模块，如图1所示。其中ARM最小系统采用STM32系列的单片机实现；数据采集和通信模块则采用集成好的各种电流、电压、速度和位置等传感器来采集数据，部分信号可能还需通过A/D转换后才能将数据传到控制器中，利用CAN总线来实现与上位机的通信；控制算法则先采用电流环、速度环和位置环的传统PID控制，后续若有更好的算法再继续进行改进；在STM32中,将高级控制定时器配置为PWM模式来产生PWM输出。
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| 图1 控制系统图 |
设计过程中拟采用的技术路线为：
（1） 根据控制系统的组成部分，推导出各部分的传递函数，得到舵机系统的数学模型。
（2） 并在Matlab的Simulink环境下搭建舵机系统的动态仿真模型,并且选择合适的控制算法进行仿真分析，根据仿真效果逐步优化控制算法。
（3） 进行相应的硬件开发，包括ARM最小系统的搭建以及各个模块的设计和调试。
（4） 将所设计的控制算法在硬件电路上实现，并对所设计的控制系统进行系统地调试和改进。
设计过程中的重点：
（1） 控制系统模型的建立与分析
（2） 控制算法的设计与仿真分析，以及对控制算法做相应的改进和优化
（3） 硬件电路的合理设置以及系统在硬件电路的具体实现
设计过程中的难点：
（1） 系统参数的调整，由于此次设计将涉及到对电流环、速度环以及位置环的控制，因此将至少采用三个控制器，在调整控制器参数时相互之间会造成影响
（2） 硬件电路的搭建与调试，在通过硬件具体实现的过程中，可能会出现诸多意外的状况，会对系统造成一定的影响
（3） 控制算法的设计与改进，为了逐步优化系统的性能，对控制算法将提出更加苛刻的要求，实现起来也将会有一定难度
3. 参考文献
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[11]宋磊, 曹林平, 吴文超, et al. 基于ARM＋CPLD的UAV飞行控制系统设计[J]. 电光与控制, 2010, 17(9):47-50.
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[16] WangH B, Liu M. Design of Robotic Visual Servo Control Based on Neural Network andGenetic Algorithm[J]. International Journal of Automation amp; Computing,2012, 9(1):24-29.1．目的及意义
微型无人机是当前研究的热点，因其具有体积小、灵活性高、便于隐藏，制造及维护的成本低，同时在使用时不会造成人员伤亡等诸多优点，在民用领域和军事领域已经得到广泛应用。基于上述这些优点，微型无人机广泛应用诸如在空防、侦察以及民用领域中的灾情检测、道路监控、矿物检测等方面。然而微型无人机也存在体积小，载重能力小等限制条件，因此，在微型无人机的设计过程中，对其机身搭载的各种设备的体积和重量等也有着严格的要求。
舵机控制系统是无人机中一项关键技术，作为组件，其作用是根据接收到的飞行控制计算机的指令实现对无人机的飞行姿态和飞行轨迹的控制。舵机控制系统既是执行机构又是无人机飞行控制回路的重要反馈，其性能的好坏直接影响着无人机的飞行性能和飞行安全。
由于无人机要求其控制系统具有高精度、高灵敏度和高可靠性，因此对舵机的性能也就提出了更高的要求，促使舵机向着体积小、质量轻、承载能力强、控制性能高的方向发展。
根据动力源的不同，常用的舵机系统可分为液压舵机、气动舵机及电动舵机(Elctromechanicalactuator， EMA)，此外为了增加舵机系统的可靠性，出现了冗余设计的舵机。其中，由于电动舵机具有结构简单、加工装配容易、线路铺设、制造维修及改装方便等特点，还可以与飞控系统使用同一种能源，且易实现余度控制，可靠性高，因此电动舵机广泛应用在微型无人机中[12]。
电动舵机的概念提出于二战期间，随后伴随着新型稀土永磁材料的出现及被广泛应用，微电子技术和集成电路的发展，电力电子技术、电动机技术和现代控制理论的不断完善和进步，电动舵机也得到了充分的发展。
现如今，电动舵机的研究仍然是世界各国的研究热点，国外的许多机构通过开展大量实验来实现无人机用电动舵机的微型化、高精度和高可靠性。Futaba公司研制了一系列用于无人机舵面控制的小功率舵机。Parker宇航开发出具有抗干扰容错，可耐受高温苛刻环境的飞行机电作动器。此外，美国空军、海军和NASA研制的电动作动器，结构紧凑，在F/A－18B系列飞机上进行了测试[10]。
国内对电动舵机同样投入了大量的研究力度，许多高校和研究院对电动舵机的余度控制、容错设计、故障诊断等方面进行了深入研究，但与国外相比，我国在电动舵机的研究及广泛应用等方面都还存在较大差距[12]。{title}
2. 研究的基本内容与方案
{title}此次设计的主要内容是设计一种无人机舵机控制系统，能够实现无人机高性能机动控制。在设计中，首先对无人机的背景和现状进行分析，了解相关的概念以及无人机舵机控制系统的组成和控制方案，然后选择合适的控制算法进行仿真分析，根据仿真效果逐步优化控制算法，之后进行相应的硬件开发与调试，最后做出总结和结果展示。
所设计的系统当中将包括5个小的模块，它们是ARM最小系统、数据采集和通信模块、控制算法模块、PWM产生模块以及各种管理监测模块，在设计过程中，也将按照模块化的方式分别设计这5个模块，如图1所示。其中ARM最小系统采用STM32系列的单片机实现；数据采集和通信模块则采用集成好的各种电流、电压、速度和位置等传感器来采集数据，部分信号可能还需通过A/D转换后才能将数据传到控制器中，利用CAN总线来实现与上位机的通信；控制算法则先采用电流环、速度环和位置环的传统PID控制，后续若有更好的算法再继续进行改进；在STM32中,将高级控制定时器配置为PWM模式来产生PWM输出。
