四旋翼飛行器飛行控制分析

余鵬 李天鷹 吳興剛

摘要：本文主要就一種小型四旋翼飛行器的控制實現方案進行研究，可以通過遙控實現四旋翼飛行器平穩起飛降落，控制前進后退，左側翻右側翻，左旋轉右旋轉以及懸停這一系列基本動作。四軸飛行器系統涉及空氣動力學，飛行器建模分析，數據融合，導航和控制，電機驅動等領域的相關技術，結合本系統實現對四軸飛行器的控制，主要解決飛行器四軸平穩控制的問題，通過不斷優化算法，使得四軸具有一定的抗干擾性和快速恢復平穩的功能。

關鍵詞：四軸飛行器;數據融合;電機驅動

中圖分類號：V249.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）12-0007-01

0 引言

目前多旋翼無人機已經廣泛應用到軍用和民用等領域，如消防監測、農藥噴灑、災區救援、空中巡查，跟蹤監控等，無人機的廣泛應用正時刻影響著我們生活。在民用方面無人機航行速度要求低于100千米/小時，無人機的穩定控制是關系到無人機安全飛行的關鍵。無人機行業的發展不斷被業界關注和看好。本研究中包括無人機飛控以及其外圍傳感器的系統構成，這些研究對無人機穩定飛行具有實際的應用意義。

1 多旋翼無人機的任務調度

四旋翼自主飛行器飛控系統主要由主控系統部分、姿態采集與處理、電源以及外圍傳感器模塊等組成，這些硬件都是通過無人機的軟件使它們有機結合起來，也就是要求編寫程序使硬件能夠協調有序工作。 飛控的程序由很多任務組成，每個任務需要執行的周期不同，合理的規劃多個任務，并使之協調有序工作是無人機飛行控制關鍵，因此飛控程序要求如下：

（1）程序運行中要求盡量減少軟件延時，而是盡量定時器延時，以確保系統效率;（2）主程序盡量避免使用中斷打斷程序運行，以確保執行順序結構的可靠性;（3）重要任務執行時必須計算出相鄰兩次調用任務的所用時間間隔。

最好的解決方法就是僅開啟1個優先級較高的定時器，通過時間片輪的方式執行多個任務，同時可統計美兩次時間間隔。

2 四旋翼無人機的控制細節

四旋翼無人機控制方式很復雜，飛行器飛行控制有自穩控制、定高控制、定點控制，每種控制都需要4個無刷電機準確無誤運行，否則飛行器將失去控制。

（1）飛行器的自穩控制：即是四旋翼飛行器飛行平穩性的自控性能，如果存在有外部擾動，或者飛行器的重心分部不均衡，飛行器仍能平穩飛行，其道理相似倒立擺，充分利用飛行器橫滾（ROLL）、偏航（PITCH）、俯仰（YAW）這些姿態動作的控制，達到飛行器穩態飛行。自穩控制需飛行器的飛控快速計算出飛行器瞬時的姿態，并且利用串級PID來實現。ROLL、PIT、YAW軸速率控制可通過3個PID完成，輸入的期望角速度與當前瞬時角速度輸出量共同作用在電機轉速調節器上。飛行器的自穩控制需要3個PID環節，它們分別控制輸入期望姿態控制量、瞬時姿態控制量、輸出期望角速度控制量。（2）飛行器的定高控制：就是基于自穩基礎之上的增加高度控制。定高控制要求飛控能計算飛行器的瞬時的高度值，通過串級PID完成氣壓高度的高度速度PID控制，輸入期望高度速度控制量與當前瞬時高度速度輸出作用于電機電調的控制量。超聲波測量的高度位置PID控制，輸入期望高度位置控制量與當前瞬時高度位置輸出的高度速度PID控制。（3）飛行器的定點控制：飛行器基于自穩與定高基礎之上再增加位置控制。飛行器定點控制要求飛控能計算出飛行器當前瞬時位置，利用串級PID完成位置速率的1個PID控制，此控制環節為輸入期望位置速度控制量與瞬時位置速度值輸出期望姿態。另外，位置保持還需要1個PID控制，此控制環節為輸入期望位置控制量和瞬時位置值輸出期望位置速度控制量。

3 結語

四旋翼無人機的控制細節非常復雜，主要包括垂直運動、俯仰運動、滾轉運動以及偏航運動，每種運動都需要無刷電機協調運作，否則飛行器將失去控制，系統設計方案在實現調試中經過數次調整，飛控系統由1個32位控制器控制，控制算法與程序編寫經過數次優化，最終飛控制系統的穩定性、定高和定點性能得到了改善，經過數次調試與實驗，最終實現四旋翼飛行器的穩定飛行以及定高和定點功能。飛控的硬件電路由主控和傳感器組成，包含了STM32主控;I2C設備有加速度陀螺儀、氣壓計、磁力計;UART設備有數傳、超聲波、GPS;PWM設備有電子調速器、接收機等。

參考文獻

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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