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(tài)控制、定高控制、懸?？刂埔约白苑€(wěn)控制的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步在飛行器的姿態(tài)解算的算法上進(jìn)行分析，研究過程中使用PID算法來實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器穩(wěn)定控制。本研究在算法的基礎(chǔ)上通過上位機(jī)對(duì)四旋翼飛行器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試與修正，逐步實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器在多種飛行姿態(tài)、定高飛行、定點(diǎn)懸停方面達(dá)到預(yù)期的穩(wěn)定飛行狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器;定高飛行;定點(diǎn)懸停

中圖分類號(hào)：V249.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）11-0112-01

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(cè)、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(shí)刻影響著我們生活。一般情況下，在民用方面無人機(jī)航行速度要求低于100千米/小時(shí)，而且飛行高度低于3000米。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。隨著無人機(jī)控制技術(shù)的不斷完善以及當(dāng)今社會(huì)出現(xiàn)的新行業(yè)，無人機(jī)在民用領(lǐng)域得到越來越多的關(guān)注。另外，無人機(jī)的飛控系統(tǒng)在穩(wěn)定性和實(shí)用性方面不斷改善，也加速推進(jìn)無人機(jī)使用。因此，無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展不斷被業(yè)界關(guān)注和看好。本研究主要面向四旋翼飛行器飛控系統(tǒng)的基本控制方法進(jìn)行分析與研究。其中，無人的姿態(tài)控制、懸?？刂啤⒆苑€(wěn)控制是本研究的主要方面，這些研究對(duì)無人機(jī)穩(wěn)定飛行方面具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

1 四旋翼無人機(jī)控制分類

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(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及偏航運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)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，以俯視順時(shí)針排序分列1、2、3、4號(hào)電機(jī)。

（1）飛行器的垂直運(yùn)動(dòng)：同時(shí)加大飛行器四個(gè)無刷電機(jī)的功率輸出，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快使得飛行器總上升力力增大，當(dāng)總上升力增大到克服飛行器總重的重量時(shí)，飛行器便可以垂直上升;如果同時(shí)減小飛行器的四個(gè)無刷電機(jī)的輸出功率時(shí)，飛行器便可以垂直下降，直到穩(wěn)定落地，垂直運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行器沿 z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。

（2）飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)：飛行器的1號(hào)和2號(hào)無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，3號(hào)和4號(hào)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速減?。?號(hào)和2號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加量與3號(hào)4號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速減小量相等）。

（3）飛行器的橫滾運(yùn)動(dòng)：2號(hào)3號(hào)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，1號(hào)4號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)速減?。?號(hào)和3號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加量與1號(hào)4號(hào)電機(jī)減小量相等）。

2 四旋翼無人機(jī)高度控制方法

四旋翼飛行器能夠穩(wěn)定控制飛行，而且具有定高和定點(diǎn)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(gè)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(jī)調(diào)速裝置的控制量以及瞬時(shí)角速度輸出參量。橫滾（ROLL）、偏航（PITCH）、俯仰（YAW）旋轉(zhuǎn)軸自穩(wěn)需也需要3個(gè)PID控制，文中分別命名PID4、PID5、PID6其作用是輸入期望的姿態(tài)量和當(dāng)前控制姿態(tài)的輸出期望角速度控制參量。氣壓計(jì)的高度控制上需要1個(gè)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(dāng)前瞬時(shí)高度和速度。超聲波高度控制需要1個(gè)高度瞬時(shí)位置PID，文中統(tǒng)一命名為PID8，其作用是輸入期望高度位置控制參量和當(dāng)前高度位置輸出的高度速度控制PID，位置速率需1個(gè)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(dāng)前位置速度信息輸出期望姿態(tài)，最后位置保持還需要1個(gè)PID控制，文中命名PID10作用是輸入期望位置控制量和當(dāng)前位置信息輸出期望位置速度控制量。

氣壓計(jì)測(cè)量的高度是相對(duì)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(zhǔn)確的，高度的變化量微分就是高度速度，超聲波測(cè)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(dāng)前高度速度 輸出作用于電機(jī)電調(diào)的控制量。超聲波測(cè)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(dāng)前高度位置 輸出高度速度PID控制。超聲波定高是串級(jí)PID控制，比氣壓計(jì)定高更穩(wěn)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(dāng)前位置速度信息輸出期望姿態(tài)。PID10是位置保持PID控制，輸入期望位置控制量 和當(dāng)前位置信息輸出期望位置速度控制量。

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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