四旋翼飞行器控制系统设计

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1、大连理工大学专业学位硕士学位论文Mckerrow对Draganflye四旋翼飞行器进行了精确建模17]；瑞士联邦理工学院的0S4四旋翼飞行器分别使用了PID、LQR、BackStepping和SlidingMode算法实现了对飞行器的姿态控制【8】【9】[10】；MIT的G．Gowtham提出了一组高效指引四旋翼行器编队飞行的控制方法【l¨；MIT还研制出了基于视觉导航的室内四旋翼飞行器控制系统，能够精确地完成各种复杂的机动飞行。国内对四旋翼飞行器的研究起步较晚，但也取得了一定研究成果，例如：南京航空航天大学自行开发的基于DSPF2812的四旋翼飞行控制器，在抗扰动方面做得非常出色

2、；南京航空航天大学还提出了DI／QFT控制器在四旋翼飞行器飞行控制中的应用[121；国防科技大学提出的自抗扰控制器可以对四旋翼飞行器实现姿态增稳控制f”】。此外还有很多由民间飞行器爱好者开发的开源四旋翼飞行控制系统，其中在世界范围内广泛使用的主要有德国的MikroKopter飞行控制器【I引、法国的MultiWii飞行控制器¨5J和美国的ArduCopter飞行控制器116】等。尽管这些开源飞行控制器结构简单，成本低廉，但都能较好实现对四旋翼飞行器的姿态稳定控制。对比一下由科研机构研制的飞行控制器和由民间爱好者研制的开源飞行控制器，不难发现有以下几点区别：前者往往不计成本和功耗采用

3、高性能的处理器，kt-,女uX86架构CPU、DSP和FPGA等，而后者仅采用价格廉价的适合快速开发的8位、16位和32位微控制器，如AVR系列微控制器和STM32系列微控制器等；前者多采用高精度惯性导航模块和传感器，如9轴惯性导航模块ADISl6405，而后者仅采用价格低廉的MEMS传感器，如加速度计ADXL345、陀螺仪L3G4200和电子罗盘HMC5883等；前者多使用复杂的姿态解算和控制算法，如四元数法和卡尔曼滤波等姿态解算算法以及滑模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、鲁棒控制和最优二次型控制等姿态控制算法，而后者并没有单独进行姿态解算而是直接根据传感器测得的数据进行传统

4、PID控制。不可否认，由科研机构研制的飞行控制器比由民间爱好者研制的开源飞行控制器控制性能更好、精度更高，但是开源飞行控制器在严格限制成本的情况下仍然能够实现对飞行器的有效姿态控制，因此开源飞行控制器同样具有极高的参考价值。1．3四旋翼飞行器原理介绍如图1．2所示，四旋翼飞行器具有两种飞行模式：+模式和×模式，×模式与+模式相比，横向尺寸更小，可以通过更小的区域，飞行机动时4个电机同时改变转速，运动更加灵活、飞行速度更快。但+模式分析和控制起来都更加简单，因此本课题采用+模式作为飞行模式。四旋翼飞行器具有如下特点：四旋翼飞行器控制系统设计×模式图1．2四旋翼飞行器的飞行模式Fig．

5、1．2Flightmodesofquadrotoraircraft(1)四旋翼飞行器结构对称成正方形，对角线上2个电机之间的距离称为轴距。轴距过小时4个螺旋桨产生的气流相互干涉，严重影响电机效率；由杠杆原理可知，轴距越大飞行器越不灵活。因此轴距是一个重要参数，与四旋翼飞行器的性能和其控制系统的参数密切相关；(2)螺旋桨高速旋转时会产生自旋力，为了平衡自旋力这就要求四旋翼飞行器4个螺旋桨的旋转方向对称分布，即对角线上的2个电机旋转方向相同，相邻的2个电机旋转方向相反，因此需要正反桨各1对，其中顺时针旋转的叫正桨，逆时针旋转的叫反桨。如果两组桨出现转速差，那么动平衡就被破坏了，飞行器对

6、外呈现整体旋转力，根据正、反桨转速的不同，实现顺时针转动或者逆时针转动；(3)升力由4个电机同时提供，因此任意一个电机出现故障都会导致四旋翼飞行器无法正常飞行。如图1．3所示，四旋翼飞行器的控制原理如下：(1)当4个电机带动螺旋桨旋转产生的总升力等于飞行器受到的重力时，飞行器保持高度不变；(2)等比例的增加4个电机的转速时螺旋桨产生的总升力大于飞行器受到的重力，飞行器做上升运动；反之做下降运动；(3)等比例的增加前后2个电机的转速，同时等比例的减小左右2个电机的转速，飞行器在水平面内逆时针转动；反之顺时针转动；(4)保持前后2个电机的转速不变，增加左侧电机的转速同时等比例的减小右侧

7、电机的转速，飞行器左右受力不再平衡将向右横滚运动，此时升力不再沿垂直方向，分◆％§》∥，豫～@大连理工大学专业学位硕士学位论文解产生向右的拉力，因此飞行器同时向右平移运动；反之向左横滚运动同时向左平移运动；(5)保持左右2个电机的转速不变，增加前方电机的转速同时等比例的减小后方电机的转速，飞行器前后受力不再平衡将做后仰运动，此时升力不再沿垂直方向，分解产生向后的拉力，因此飞行器同时向后平移运动；反之做前俯运动同时向前平移运动。上Z●高度升降上Zk／水平旋转■ZX’右X