四旋翼飛行器定高飛行方法研究

李天鷹 余鵬 吳興剛

摘要：此文主要面向四旋翼飛行器的姿態控制、定高控制、懸停控制以及自穩控制的實現方法進行設計，并進一步在飛行器的姿態解算的算法上進行分析，研究過程中使用PID算法來實現四旋翼飛行器穩定控制。本研究在算法的基礎上通過上位機對四旋翼飛行器的各項參數進行調試與修正，逐步實現四旋翼飛行器在多種飛行姿態、定高飛行、定點懸停方面達到預期的穩定飛行狀態。

關鍵詞：四旋翼飛行器;定高飛行;定點懸停

中圖分類號：V249.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0112-01

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。一般情況下，在民用方面無人機航行速度要求低于100千米/小時，而且飛行高度低于3000米。無人機的穩定控制是關系到無人機安全飛行的關鍵。隨著無人機控制技術的不斷完善以及當今社會出現的新行業，無人機在民用領域得到越來越多的關注。另外，無人機的飛控系統在穩定性和實用性方面不斷改善，也加速推進無人機使用。因此，無人機行業的發展不斷被業界關注和看好。本研究主要面向四旋翼飛行器飛控系統的基本控制方法進行分析與研究。其中，無人的姿態控制、懸停控制、自穩控制是本研究的主要方面，這些研究對無人機穩定飛行方面具有實際的應用意義。

1 四旋翼無人機控制分類

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，以俯視順時針排序分列1、2、3、4號電機。

（1）飛行器的垂直運動：同時加大飛行器四個無刷電機的功率輸出，電機轉速加快使得飛行器總上升力力增大，當總上升力增大到克服飛行器總重的重量時，飛行器便可以垂直上升;如果同時減小飛行器的四個無刷電機的輸出功率時，飛行器便可以垂直下降，直到穩定落地，垂直運動實現飛行器沿 z軸的垂直運動。

（2）飛行器的俯仰運動：飛行器的1號和2號無刷電機轉速增加，3號和4號無刷電機的轉速減小（1號和2號電機轉速增加量與3號4號電機轉速減小量相等）。

（3）飛行器的橫滾運動：2號3號無刷電機的轉速增加，1號4號電機的轉速減小（2號和3號電機轉速增加量與1號4號電機減小量相等）。

2 四旋翼無人機高度控制方法

四旋翼飛行器能夠穩定控制飛行，而且具有定高和定點控制功能，那么需要10組PID，橫滾（ROLL）、偏航（PITCH）、俯仰（YAW）角速率需要3個PID控制，文中分別命名PID1、PID2、PID3，這3組PID為輸入期望角速度參量、作用在電機調速裝置的控制量以及瞬時角速度輸出參量。橫滾（ROLL）、偏航（PITCH）、俯仰（YAW）旋轉軸自穩需也需要3個PID控制，文中分別命名PID4、PID5、PID6其作用是輸入期望的姿態量和當前控制姿態的輸出期望角速度控制參量。氣壓計的高度控制上需要1個PID控制高度速率，文中命名PID7，其作用是輸入期望的高度和速度控制量以及當前瞬時高度和速度。超聲波高度控制需要1個高度瞬時位置PID，文中統一命名為PID8，其作用是輸入期望高度位置控制參量和當前高度位置輸出的高度速度控制PID，位置速率需1個控制PID，文中命名PID9其作用是輸入期望位置速度控制量和當前位置速度信息輸出期望姿態，最后位置保持還需要1個PID控制，文中命名PID10作用是輸入期望位置控制量和當前位置信息輸出期望位置速度控制量。

氣壓計測量的高度是相對高度，是海拔高度不是距離地面高度，也就是高度的變化量是準確的，高度的變化量微分就是高度速度，超聲波測量的高度是距離地面的高度，PID7是氣壓高度的高度速度PID控制輸入期望高度速度控制量和當前高度速度 輸出作用于電機電調的控制量。超聲波測量的高度是距離地面的高度，PID8是超聲波高度的高度位置PID控制，輸入期望高度位置控制量和當前高度位置 輸出高度速度PID控制。超聲波定高是串級PID控制，比氣壓計定高更穩定，但是距離范圍有限。PID9是位置速率的PID控制，輸入期望位置速度控制量和當前位置速度信息輸出期望姿態。PID10是位置保持PID控制，輸入期望位置控制量 和當前位置信息輸出期望位置速度控制量。

參考文獻

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

LI Tian-ying，YU Ping，WU Xing-gang

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

Abstract：This paper mainly focuses on the attitude control， height control， hover control and self-stabilization control of the Four-rotor aircraft， and further analyzes the algorithm of attitude calculation of the aircraft. In the process of research， the PID algorithm is used to realize the stability control of the Four-rotor aircraft. Based on the algorithm， the parameters of the Four-rotor aircraft are adjusted and corrected by the upper plane. The Four-rotor aircraft can achieve the desired stable flight state in various flight postures， fixed-altitude flight and fixed-point hover.

Key words：four-rotor aircraft; fixed altitude flight; fixed hovering