四旋翼飛行器懸停控制的研究

周湘淇 劉向東

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 引言

四旋翼飛行器也稱(chēng)為四旋翼直升機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)四軸、四旋翼，是一種有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。它是多旋翼飛行器中最基本的一種。可以用作航拍、橋梁和電力線路檢測(cè)、定點(diǎn)巡航、娛樂(lè)等.還有兩軸、三軸、六軸、八軸等類(lèi)似飛行器。在2014年浙江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽中出現(xiàn)過(guò)四旋翼飛行器的題目，要求設(shè)計(jì)制作一架能夠自主飛行的四旋翼飛行器，做到定高飛行。

本文以四旋翼飛行器懸停控制為目標(biāo)。首先保證飛行器能平穩(wěn)飛行，其次再定高飛行。設(shè)計(jì)以TI公司的launchpad w/tm4c 123作為主控制器，通過(guò)對(duì)三軸加速度和陀螺儀MPU6050為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的處理，得到四旋翼飛行器空間姿態(tài)角，通過(guò)超聲波得到四旋翼飛行器的空間位置，最后通過(guò)PID控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。飛行器采用的是無(wú)刷電機(jī)，這類(lèi)電機(jī)的動(dòng)力大，利于較大的電機(jī)。

1 四旋翼飛行器的平穩(wěn)飛行

單片機(jī)從MPU-6050芯片獲取的數(shù)據(jù)是飛行器的三軸角速度和三軸角加速度，MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到飛行器當(dāng)前的飛行姿態(tài)，使姿態(tài)解算得到的歐拉角為基礎(chǔ)，利用PID控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使飛行器達(dá)到或保持預(yù)定的水平姿態(tài)。

PID計(jì)算方式如圖1所示。

圖1

在該飛行器系統(tǒng)中，PID各個(gè)參數(shù)經(jīng)過(guò)調(diào)試得出：

K=1 P=300 I=0 D=125。

2 四旋翼飛行器的懸停

在研究懸停過(guò)程前，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了四旋翼的平穩(wěn)飛行，故定高懸停計(jì)算只需計(jì)算主動(dòng)力。由于四旋翼飛行器就實(shí)際而言是一個(gè)非線性高耦合欠控制的系統(tǒng)，在建模時(shí)常常忽略外界不穩(wěn)定因素。四旋翼飛行器的四個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)提供機(jī)身的整體升力，由于忽略了四個(gè)旋翼之間的耦合，整體的升力可以表示為每個(gè)旋翼提供升力之和。即：Fa=F1+F2+F3+F4，則依據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律可以寫(xiě)出F1=F2=F3=F4=Mg/4。

由出廠信息可知M=3.23kg。

電機(jī)的信息如下

則本文建立的高度PID模型如下：

KP=herror-last1herror;

KI=herror;

KD=herror-2*last1herror+last2herror);

圖2

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，PID控制器最后的數(shù)據(jù)如下。

P=2.2 I=1.2 D=3.5.

程序的流程圖如下：

圖3

3 總結(jié)

本文主要研究了四旋翼飛行器的定高控制的方法，結(jié)合實(shí)際情況，建立模型，進(jìn)行PID控制,提出了用廉價(jià)的超聲波模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)現(xiàn)飛行器自主飛行。

電機(jī)的型號(hào)和相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

表1

［1］凌金福，四旋翼飛行器飛行控制算法的研究[J].2013.

［2］李飛,四旋翼飛行器姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)的研究[J].2013.

［3］劉麗麗.四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2009.

［4］吳中杰.四旋翼飛行器設(shè)計(jì)及其姿態(tài)控制[J].2012.