四旋翼飞行器飞行控制分析

余鹏 李天鹰 吴兴刚

摘要：本文主要就一种小型四旋翼飞行器的控制实现方案进行研究，可以通过遥控实现四旋翼飞行器平稳起飞降落，控制前进后退，左侧翻右侧翻，左旋转右旋转以及悬停这一系列基本动作。四轴飞行器系统涉及空气动力学，飞行器建模分析，数据融合，导航和控制，电机驱动等领域的相关技术，结合本系统实现对四轴飞行器的控制，主要解决飞行器四轴平稳控制的问题，通过不断优化算法，使得四轴具有一定的抗干扰性和快速恢复平稳的功能。

关键词：四轴飞行器;数据融合;电机驱动

中图分类号：V249.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）12-0007-01

0 引言

目前多旋翼无人机已经广泛应用到军用和民用等领域，如消防监测、农药喷洒、灾区救援、空中巡查，跟踪监控等，无人机的广泛应用正时刻影响着我们生活。在民用方面无人机航行速度要求低于100千米/小时，无人机的稳定控制是关系到无人机安全飞行的关键。无人机行业的发展不断被业界关注和看好。本研究中包括无人机飞控以及其外圍传感器的系统构成，这些研究对无人机稳定飞行具有实际的应用意义。

1 多旋翼无人机的任务调度

四旋翼自主飞行器飞控系统主要由主控系统部分、姿态采集与处理、电源以及外围传感器模块等组成，这些硬件都是通过无人机的软件使它们有机结合起来，也就是要求编写程序使硬件能够协调有序工作。 飞控的程序由很多任务组成，每个任务需要执行的周期不同，合理的规划多个任务，并使之协调有序工作是无人机飞行控制关键，因此飞控程序要求如下：

（1）程序运行中要求尽量减少软件延时，而是尽量定时器延时，以确保系统效率;（2）主程序尽量避免使用中断打断程序运行，以确保执行顺序结构的可靠性;（3）重要任务执行时必须计算出相邻两次调用任务的所用时间间隔。

最好的解决方法就是仅开启1个优先级较高的定时器，通过时间片轮的方式执行多个任务，同时可统计美两次时间间隔。

2 四旋翼无人机的控制细节

四旋翼无人机控制方式很复杂，飞行器飞行控制有自稳控制、定高控制、定点控制，每种控制都需要4个无刷电机准确无误运行，否则飞行器将失去控制。

（1）飞行器的自稳控制：即是四旋翼飞行器飞行平稳性的自控性能，如果存在有外部扰动，或者飞行器的重心分部不均衡，飞行器仍能平稳飞行，其道理相似倒立摆，充分利用飞行器横滚（ROLL）、偏航（PITCH）、俯仰（YAW）这些姿态动作的控制，达到飞行器稳态飞行。自稳控制需飞行器的飞控快速计算出飞行器瞬时的姿态，并且利用串级PID来实现。ROLL、PIT、YAW轴速率控制可通过3个PID完成，输入的期望角速度与当前瞬时角速度输出量共同作用在电机转速调节器上。飞行器的自稳控制需要3个PID环节，它们分别控制输入期望姿态控制量、瞬时姿态控制量、输出期望角速度控制量。（2）飞行器的定高控制：就是基于自稳基础之上的增加高度控制。定高控制要求飞控能计算飞行器的瞬时的高度值，通过串级PID完成气压高度的高度速度PID控制，输入期望高度速度控制量与当前瞬时高度速度输出作用于电机电调的控制量。超声波测量的高度位置PID控制，输入期望高度位置控制量与当前瞬时高度位置输出的高度速度PID控制。（3）飞行器的定点控制：飞行器基于自稳与定高基础之上再增加位置控制。飞行器定点控制要求飞控能计算出飞行器当前瞬时位置，利用串级PID完成位置速率的1个PID控制，此控制环节为输入期望位置速度控制量与瞬时位置速度值输出期望姿态。另外，位置保持还需要1个PID控制，此控制环节为输入期望位置控制量和瞬时位置值输出期望位置速度控制量。

3 结语

四旋翼无人机的控制细节非常复杂，主要包括垂直运动、俯仰运动、滚转运动以及偏航运动，每种运动都需要无刷电机协调运作，否则飞行器将失去控制，系统设计方案在实现调试中经过数次调整，飞控系统由1个32位控制器控制，控制算法与程序编写经过数次优化，最终飞控制系统的稳定性、定高和定点性能得到了改善，经过数次调试与实验，最终实现四旋翼飞行器的稳定飞行以及定高和定点功能。飞控的硬件电路由主控和传感器组成，包含了STM32主控;I2C设备有加速度陀螺仪、气压计、磁力计;UART设备有数传、超声波、GPS;PWM设备有电子调速器、接收机等。

参考文献

[1]薛定宇.反馈控制系统设计与分析[M].北京：清华大学出版社，2015：7-90.

[2]李树荣.一类非线性系统的全局反馈镇定[J].石油大学学报，2015，21（4）：74-77.

[3]卢强，孙元章.计算机程序算法导论[M].北京：科学出版社，1993：32-40.

Research on the Method of Four-Rotor Aircraft Flying at Fixed Height

YU Peng，LI Tian-ying，WU Xing-gang

（Nantong Institute of Science And Technology，Nantong  Jiangsu 226002）

Abstract：This paper mainly studies the control realization scheme of a small Four-rotor aircraft， which can take off and land smoothly， control forward and backward， turn left and turn right， rotate left and turn right and hover by remote control. Four-axis vehicle system involves related technologies in the fields of aerodynamics， aircraft modeling and analysis， data fusion， navigation and control， motor drive and so on. Combining with this system， the control of four-axis vehicle is realized. It mainly solves the problem of four-axis stable control of aircraft. Through continuous optimization algorithm， the four-axis vehicle system has a certain degree. Anti-jamming and fast restoring smooth function.

Key words：four-rotor aircraft;data fusion;motor drive