四旋翼飞行器的悬停控制研究

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1、四旋翼飞行器的悬停控制研究　　摘要旋翼式飞行器是近些年来无人机发展的重要方向，在多个领域发挥着重要的作用。本文介绍一种四旋翼飞行器定点悬停的控制策略，气压计与电子航向系统（AHRS）为获取关键参数的传感器，应用低通滤波与卡尔曼滤波。在保证控制精度的同时，笔者尽量使算法简单，不过高的依赖微处理器的运算速度。之后探讨了数据处理方面存在的??题，希望可以对悬停控制的研究贡献微薄之力。　　【关键词】四旋翼定点悬停气压AHRS低通滤波卡尔曼滤波　　四旋翼飞行器是一种结构简单的多旋翼形式的飞行器，其本身具有

2、多重优势特征，主要表现为机体结构简单、造价低廉、陀螺效应小等多种优势。最重要的是，四旋翼飞行器可以做到垂直起降，使得起飞与降落的成本大大减小。因此，这种飞行器广泛的应用与空中拍摄、监视、侦查等方面。然而，四旋翼飞行器本身也存在一定的缺陷，飞行器本身在飞行的过程中容易受到噪声甚至是气流等多方面干扰，使控制变得困难。　　众所周知，为了使四旋翼飞行器相比与固定翼飞行器发挥更大的优势，悬停控制是非常必要的，而现阶段大多数的悬停控制方案基于民用全球定位系统（GlobalPositionSystem）或计算

3、机视觉控制。但GPS对环境要求较大，在某些GPS信号不覆盖的地方不能使用，而计算机视觉控制对微处理器的功能要求比较高。但气压计的使用相对简单，只需要利用简单地机械结构设计避免气流造成的大噪声的数据，非常适合用于悬停控制　　本文将注重对传感器数据的处理，从理论推导出发，并联系实际应用，将低通滤波与卡尔曼滤波相结合，并通过实体飞行器测试算法，提出并证明一种比较稳定的四旋翼悬停控制方案。　　1四旋翼飞行器悬停的意义与工作原理　　四旋翼飞行器的悬停控制一直是国内外学者关注的一个重点课题。悬停，即四旋翼飞

4、行器在某一时刻相对于地面保持一种静止的空间状态。　　为了方便叙述，定义机体坐标系OXYZ：以飞行器重心为原点，纵轴为X轴，方向同机头方向；在飞行器对称面内且垂直于X轴为Z轴，方向向下；与X，Z轴垂直且向右为正方向为Y轴。根据右手定则由飞机重心为原点定义地面惯性坐标系OgXgYgZg。OX轴相对于OgXgYg平面的变化，即俯仰角（pitch）；OX轴在OgXgYg平面的投影与OgXg之间的夹角，即偏航角（yaw）；以及飞行器对称面绕X轴转动角度，即横滚角（roll）。　　由于四轴飞行器在空间中有6

5、个自由度，即在地面惯性坐标系中，沿三个坐标轴做平移和旋转运动。通过对四轴飞行器的运动分析，可以得出飞机的姿态变化可以分解成横滚角，俯仰角，航向角的变化，而OgZg轴的平移运动可以看做高度的变化（altitude），如图1所示。　　可以看出四旋翼飞行器的运行方式主要包括四个方面的内容，有垂直起降和悬停（即高度的变化）、偏航运行、俯仰运动以及滚转运动四个，其中，基本的运动方式就是悬停运动以及垂直起降运动，但飞行器在空中飞行时会受到气流、气压等多种噪声干扰，飞行器的运动状态会发生改变。所以控制控制四旋

6、翼飞行器的悬停，即控制横滚角，俯仰角，与航向角，以及高度。　　2四旋翼飞行器控制系统　　经过反复多种方案的反复比较分析，本文决定采用电子航向系统，高精度气压计作为数据的采集，通过I2C+SPI方式向主控芯片传输数据，并对气压计做隔离处理，降低气流对气压计的干扰。为了方便采集飞行时的实时数据，利用串口方式+蓝牙方式，使飞行器与上位机进行通讯。　　2.1控制系统的模块化设计　　通过AHRS（attitudeheadingreferencesystem）可以获得实时的欧拉角，通过气压计可以获得实时高度

7、数据，运用适当的微处理器（MicrocontrollerUnit）快速的控制，使得四旋翼飞行器可以快速的对误差进行反应。因此，本文描述的四旋翼飞行器呈现如下结构。　　2.2控制系统悬停的目标介绍　　由于篇幅有限，本文只研究在手动飞行中的悬停过程。当飞行器在飞行时，当横滚角（pitch），俯仰角（roll）比较稳定时，对飞行器发射悬停信号。此时飞行器将进行自稳控制，并记录飞行器稳定后的姿态、航向、高度数据。在可以修正的范围内进行修正。由于文献（1）将已经将姿态的估计与控制做了详细的描述，使飞行器姿

8、态很好的保持稳定，本文将不再描述姿态的控制，而将重点放在高度数据的处理与高度控制上，如图2所示。　　3基于AHRS与气压计的悬停控制系统的算法设计与实现　　3.1获得理想的控制量　　3.1.1低通滤波　　低通滤波分为很多种，对于从模拟信号发展而来的最简单的低通滤波，分为一阶阻容滤波，和二阶阻容滤波，阻容滤波在频域上有阻挡高频信号的特点，在相位上存在滞后，阻容滤波也成为滞后滤波。而二阶低通滤波较一阶低通滤波　　理想一阶低通滤波器的传递函数为　　Z变换：　　式中T为采样周期　　Z反变换得到差分方程