四旋翼飛行器飛行控制系統研究與設計

劉巖 楊牧

摘 要：隨著社會科學技術的不斷發展，微控制器、傳感器及電力驅動技術的成熟，四旋翼飛行器已經逐漸取代了傳統的螺旋翼直升機飛行器，由于四旋翼飛行器有十字架構和四個螺旋翼，其屬于一個強耦合、非線性及欠驅動的六自由度系統，本文分析基于模糊控制的PID控制算法，以求持續提高四旋翼飛行器的控制效果。

關鍵詞：四旋翼飛行器；動力學模型；模糊控制；PID控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.137

四旋翼飛行器由于其獨特的飛行方式使得其起飛和降落需要較少的空間，便于保持在較高的操縱性能飛行在障礙物密集的環境當中，同時四旋翼飛行器可以保持穩定的飛行姿態，因此在軍事和民用領域都有較好的應用前景。四旋翼飛行器具有簡單的機械結構，其主要由十字狀構架和四個旋翼組成，在對四旋翼飛行器數學建模時其屬于強耦合、非線性及欠驅動六自由度系統，通過控制四個螺旋槳不同速度就可是實現不同的飛行姿態。對于非線性強耦合的系統的控制較為困難，因此要實現四旋翼飛行器從初始位置運行到既定位置并能保持當前的運動狀態，就可以將非線性的四旋翼飛行器模型進行近似線性化的處理。在四旋翼飛行器控制過程中可以采用雙閉環結構，將內環角度環輸出作為外環速度環的控制輸入，從而實現對四旋翼飛行器運行姿態的控制。

1 四旋翼飛行器的控制原理

1.1 四旋翼飛行器的垂直飛行與俯仰飛行的控制原理

四旋翼飛行器在控制過程中通過調整電機轉動速度來改變合力實現飛行的多種姿態。在四旋翼飛行器垂直飛行過程中，首先需要處理好電機轉動過程中產生的反轉矩作用，在1號與3號電機逆時針運行的同時2號與4號電機順時針旋轉，當兩者產生的合力能保持大小一致時，就會使他們產生的反扭矩互相完全抵消。當各電機均產生向上拉力且拉力大于飛行器重力時就會使四旋翼飛行器上升，同時電機轉動速度增加會使拉力變大，當拉力大于飛行器重力時就可以實現懸停狀態，為了保證四旋翼飛行器可以實現垂直飛行，就需要四個電機的轉動速度相同。當四旋翼飛行器需要產生俯仰飛行時，可令2號和4號電機朝同一個方向旋轉并保持相同的旋轉速度，1號電機運行速度增加，3號電機運行速度降低，則會使四旋翼飛行器向X軸方向產生俯仰并進入不平衡狀態。

1.2 四旋翼飛行器的橫滾飛行、偏航飛行與前后飛行的控制原理

四旋翼飛行器的橫滾飛行與俯仰飛行的控制原理相似，令1號和3號電機轉速恒定，使2號電機轉速增大的同時改變4號電機轉速，就會使四旋翼飛行器左右兩側升力產生差異進而飛行器繞X軸旋轉實現橫滾運動。四旋翼飛行器需要進行前后運動時，2號與4號電機轉速不變，增大1號電機轉速的同時減少3號電機，此時飛行器的前側升力大于后側升力，會與Z軸正方向呈現銳角即有正的俯仰角，四旋翼飛行器產生一個向后的運動。在四旋翼飛行器前后運動時相同轉向的一組電機轉速增加，另一組電機轉速減小，此時會時飛行器產生偏航角，并且偏航方向與轉速增大的一組電機方向相反。

2 四旋翼飛行器的動力學建模

建立準確的四旋翼飛行器動力學模型對于研究合適的控制算法并提高控制精度有重要作用，在進行四旋翼飛行器數學建模時需要先對飛行條件進行理想化假設，并建立系統的參考坐標系，再對四旋翼飛行器進行受力分析和力矩分析。假設四旋翼飛行器在低空空域飛行，且飛行速度小于40km/h，飛行范圍不超過10km，則可視四旋翼飛行器的維度和飛行高度保持恒定。空間中的四旋翼飛行器有俯仰、滾動、偏航、垂直、橫向及縱向六種運行狀態，因此根據機體運行規律建立六自由度動力學模型，其不僅要確認機體每刻的空間位置，還需要描述機體的機械運動狀態，根據兩種相對變化建立兩種不同參考坐標系，再通過轉換矩陣將四旋翼飛行器質心運動規律統一到一個參考坐標系中。四旋翼飛行器的運動較為復雜，在進行受力分析過程中需要將這些運動簡化為簡單直線運動，將機體運動看作是俯仰運動、滾轉運動及偏航運動的按照平行四邊形法則的合運動，在進行力矩分析過程中由于四旋翼飛行器屬于“+”型對稱結構，當俯仰角或橫滾角發生改變時，會產生一機體質心為中心的并且垂直于機體平面的力矩即為機體的旋翼臂，進而可以求出機體的俯仰力矩式和滾轉力矩式。

3 四旋翼飛行器的姿態控制算法研究

對于四旋翼飛行器姿態控制算法最為常用的就是PID控制，其在處理線性系統的控制具有穩定性強、可靠性高及設計簡單的優點，但由于四旋翼飛行器屬于非線性系統因此不能直接使用PID算法。基于PID算法設計基于模糊控制的PID算法可以根據系統狀態的不間斷特性實現對控制參數的實時優化，從而滿足對四旋翼飛行的姿態控制。PID算法主要包括比例、積分及微分三個部分，其中比例部分直接決定機體控制力的大小，當比例部分越大時系統的超調量越大，則系統的振蕩幅度越大，系統動態性能越差，調整系統狀態的調節時間就越小。積分部分可以消除系統的控制偏差，積分作用可以累積控制偏差。微分部分可以影響控制系統的動態性能，設定合適的微分參數值，可以有效減少系統的超調量并提高系統姿態運行的穩定性。

4 結束語

四旋翼飛行器具有體積小、隱蔽性強、功耗低、機械機構簡單及容錯能力強的特點，因此在民用及軍用領域均有廣泛的應用，但同時四旋翼飛行器模型具有非線性、強耦合和欠驅動的特點，因此控制四旋翼飛行器的姿態狀態具有一定難度，本文中設計基于模糊PID控制策略實現對四旋翼飛行器的有效控制。

參考文獻：

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