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(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行研究，可以通過遙控實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器平穩(wěn)起飛降落，控制前進(jìn)后退，左側(cè)翻右側(cè)翻，左旋轉(zhuǎn)右旋轉(zhuǎn)以及懸停這一系列基本動作。四軸飛行器系統(tǒng)涉及空氣動力學(xué)，飛行器建模分析，數(shù)據(jù)融合，導(dǎo)航和控制，電機(jī)驅(qū)動等領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對四軸飛行器的控制，主要解決飛行器四軸平穩(wěn)控制的問題，通過不斷優(yōu)化算法，使得四軸具有一定的抗干擾性和快速恢復(fù)平穩(wěn)的功能。

關(guān)鍵詞：四軸飛行器;數(shù)據(jù)融合;電機(jī)驅(qū)動

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

0 引言

目前多旋翼無人機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到軍用和民用等領(lǐng)域，如消防監(jiān)測、農(nóng)藥噴灑、災(zāi)區(qū)救援、空中巡查，跟蹤監(jiān)控等，無人機(jī)的廣泛應(yīng)用正時刻影響著我們生活。在民用方面無人機(jī)航行速度要求低于100千米/小時，無人機(jī)的穩(wěn)定控制是關(guān)系到無人機(jī)安全飛行的關(guān)鍵。無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展不斷被業(yè)界關(guān)注和看好。本研究中包括無人機(jī)飛控以及其外圍傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成，這些研究對無人機(jī)穩(wěn)定飛行具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

1 多旋翼無人機(jī)的任務(wù)調(diào)度

四旋翼自主飛行器飛控系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)部分、姿態(tài)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(jī)的軟件使它們有機(jī)結(jié)合起來，也就是要求編寫程序使硬件能夠協(xié)調(diào)有序工作。 飛控的程序由很多任務(wù)組成，每個任務(wù)需要執(zhí)行的周期不同，合理的規(guī)劃多個任務(wù)，并使之協(xié)調(diào)有序工作是無人機(jī)飛行控制關(guān)鍵，因此飛控程序要求如下：

（1）程序運(yùn)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(tǒng)效率;（2）主程序盡量避免使用中斷打斷程序運(yùn)行，以確保執(zhí)行順序結(jié)構(gòu)的可靠性;（3）重要任務(wù)執(zhí)行時必須計(jì)算出相鄰兩次調(diào)用任務(wù)的所用時間間隔。

最好的解決方法就是僅開啟1個優(yōu)先級較高的定時器，通過時間片輪的方式執(zhí)行多個任務(wù)，同時可統(tǒng)計(jì)美兩次時間間隔。

2 四旋翼無人機(jī)的控制細(xì)節(jié)

四旋翼無人機(jī)控制方式很復(fù)雜，飛行器飛行控制有自穩(wěn)控制、定高控制、定點(diǎn)控制，每種控制都需要4個無刷電機(jī)準(zhǔn)確無誤運(yùn)行，否則飛行器將失去控制。

（1）飛行器的自穩(wěn)控制：即是四旋翼飛行器飛行平穩(wěn)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(wěn)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(tài)動作的控制，達(dá)到飛行器穩(wěn)態(tài)飛行。自穩(wěn)控制需飛行器的飛控快速計(jì)算出飛行器瞬時的姿態(tài)，并且利用串級PID來實(shí)現(xiàn)。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(dāng)前瞬時角速度輸出量共同作用在電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上。飛行器的自穩(wěn)控制需要3個PID環(huán)節(jié)，它們分別控制輸入期望姿態(tài)控制量、瞬時姿態(tài)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(wěn)基礎(chǔ)之上的增加高度控制。定高控制要求飛控能計(jì)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(dāng)前瞬時高度速度輸出作用于電機(jī)電調(diào)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(dāng)前瞬時高度位置輸出的高度速度PID控制。（3）飛行器的定點(diǎn)控制：飛行器基于自穩(wěn)與定高基礎(chǔ)之上再增加位置控制。飛行器定點(diǎn)控制要求飛控能計(jì)算出飛行器當(dāng)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(huán)節(jié)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(tài)。另外，位置保持還需要1個PID控制，此控制環(huán)節(jié)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(jié)語

四旋翼無人機(jī)的控制細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，主要包括垂直運(yùn)動、俯仰運(yùn)動、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動以及偏航運(yùn)動，每種運(yùn)動都需要無刷電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作，否則飛行器將失去控制，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案在實(shí)現(xiàn)調(diào)試中經(jīng)過數(shù)次調(diào)整，飛控系統(tǒng)由1個32位控制器控制，控制算法與程序編寫經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化，最終飛控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、定高和定點(diǎn)性能得到了改善，經(jīng)過數(shù)次調(diào)試與實(shí)驗(yàn)，最終實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的穩(wěn)定飛行以及定高和定點(diǎn)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(shè)備有加速度陀螺儀、氣壓計(jì)、磁力計(jì);UART設(shè)備有數(shù)傳、超聲波、GPS;PWM設(shè)備有電子調(diào)速器、接收機(jī)等。

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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