基于Pixhawk飞控的四轴飞行器编队控制分析
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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，保证单架飞行系统稳定。采用“集中式”通信方式，利用XBee模块远程通信的稳定性高、实时性好、抗干扰性强的优点完成四轴飞行器间的数据链交换。针对软硬件两个方面进行设计，完成基于领航-跟随的编队飞行控制的分析总结，最后通过实际飞行实验进行验证。
关键词：四轴飞行器 Pixhawk飞控算法 通信网络 “领航-跟随”法编队控制策略
中图分类号：V249.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0183-02
近年来，随着新型材料、导航技术、嵌入式微控制器在四轴飞行器中的广泛应用，结合国内外飞行控制的研究进展，与无人直升机、固定翼多机编队相比较，四轴飞行器编队控制理论研究更加成熟。目前，四轴飞行器编队自主控制在国内外一些高校得到了较好的科学验证。
四轴飞行器编队由地面站、编队机群、链路三大部分组成。飞行器地面站是整个飞行器编队系统的指挥控制中心，专门用于对飞行编队的地面控制和管理。编队机群有3架以上四旋翼无人机组成，单架四旋翼无人机通过用户终端输入（通常为遥控器）和飞行控制系统（简称飞控）中的程序算法解算，使用电子调速器根据输出电压匹配输出电流来驱动电机转速，实现对飞行姿态和位置的控制（核心组件就是飞控）。链路主要负责编队机群与地面站之间的通讯，通过多种通信方式将编队飞行数据实时传输到地面站，并可以将地面站发出的控制信号传给编队“领航者”，从而使得飞行编队按照既定的指令飞行。
1 构建稳定的单架四轴飞行器飞行系统
1.1 选取合适的飞行编队平台
飞行编队平台的选取决定了编队的直接飞行效果。大尺寸的四轴飞行器飞行速度很难改变，导致机体很难受控；并且在大载重下，桨叶挥舞会导致刚性大的桨很容易折断。而微小型四轴飞行器续航时间短、载重量小，无法达到技术指标。另外，飞行编队平台要求响应速度快、稳定性好。经过国内外对四轴飞行器各个轴距的综合实验验证以及成本预算，选取较为成熟的F450四轴飞行器平台，以达到飞行编队预期的飞行效果。
1.2 搭载Pixhawk飞控控制算法
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。
1.3 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
2.1 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，有2.4G、900M、868M三种频段，同时可兼容802.15.4协议。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。
2.2 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，只需在编队飞行中保持与领航者的相对距离和相对角度，就可以实现编队飞行的任务。而对于所要规划的航迹来说，只有领航者才对航迹进行规划，其余僚机都是按照与领航者的位置差和角度差来驱动自身控制器的。同时在偏差解算中，添加了速度偏差，用于实现僚机对领航者的速度跟随，使得当领航者以较大加速度改变速度的时候，领航者与僚机之间的间距仍然能够保持在一个稳定的范围内。僚机通过接收领航者的航向信息，能够对领航者的航向做出响应，使得在编队飞行过程中，领航者速度方向发生变化的时候僚机能够保持在领航者的固定方位。这种方法结构简单，形式較为容易设计，控制效果明显。
3 四轴飞行器编队控制将来的应用趋势
根据众多文献资料的研究，现在四轴飞行器编队控制主要还是停留在理论研究的程度，所以在四轴飞行器编队控制的发展趋势中，未来的飞行编队一定会带来更多的智能化与系统化的控制策略。相比于商业领域，四轴飞行器编队能够灵活、隐蔽地飞向敌防空领域，执行侦察、通信、电子干扰等任务的特点使其在军事方面应用前景更加广阔。
四轴飞行器编队控制的发展趋势主要有两部分：（1）可适应更加复杂、恶劣的环境。在以高新技术为主导的未来战场上，周围环境必然变得更加恶劣与复杂，这给四轴飞行器编队控制带来了巨大的难题。从而四轴飞行器为了适应未来战场的需要必须提高其自身对周围环境的适应能力。（2）基于网络化的协同调控。伴随现代互联网技术的发展，未来战争更将是一场信息战争，所以增加飞行编队控制系统的网络化应用必然也会成为一种趋势。所以未来飞行编队间的通信网络化越发成为当今科技界的研究重点，这才能更好地保证飞行编队各机间协同控制的效率。
参考文献
[1] Seattle. High performance full attitude control[姿态控制-英文][D]. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation （ICRA）Washington State Convention Center，2015：2-5.
[2] Daniel Warren Mellinger.四旋翼轨迹控制经典-英Trajectory Generation and Control for[D]. University of Pennsylvania Scholarly Commons，2012：1-108.
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