四旋翼飛行器的非線性PID姿態控制研究

郭恒吉 楊樂虎 趙亮

摘 要：非線性PID姿態控制，是數字溝通與信息互動的主要形態，它在無人駕駛飛行器中的應用最為常見。基于此，本文結合四旋翼飛行器設計相關理論，著重對非線性PID姿態控制情況進行探究，以達到充分發揮技術優勢，促進社會機械設備創新開發的目的。

關鍵詞：四旋翼飛行器;非線性PID;姿態控制

引言：四旋翼飛行器，是現代飛行設備研究中最具代表的設備形態，它具有飛行穩定性高、距離遠等特征。為了對四旋翼飛行器進行更加深入的研究，就應該對設備控制技術要點進行把握，進而形成當代飛行技術探索的參考理論。

一、四旋翼飛行器機理論述

四旋翼飛行器，是一種可垂直沉降、懸停、前飛、側飛、倒飛的飛行輔助設備[1]。該設備與普通的載體控制終端監控設備相比，前者可以跟隨目標發生位置上的變化，且飛行器本身所攜帶的四個機翼旋轉結構，可同時進行動力供應與調節，各部分之間相互獨立，也相互協調，由此，四旋翼飛行器可以同時進行順時針好逆時針的旋轉調整，它是一種較協調的螺旋式動力供應結構，左右兩側機翼運動期間所產生的無用動力會相互抵消，進而實現了俯仰和反向扭轉力之間的互動的做功形態。

從四旋翼飛行器的結構構成視角而言，該設備內部為姿態控制，外部為位置控制，姿態控制部分完全依靠內部程序進行指令傳達;而外部位置控制環節，是由遠程控制系統輔助給予動力控制，這是四旋翼飛行器調控期間所產生的設計點。而非線性PID控制器，就是分別作用于內部和外部結構上的程序部分，關于它的分析我們可從設備運行角度和姿態控制周期視角上尋求解決方案。

二、四旋翼飛行器的非線性PID姿態控制

結合相關設計理論，將四旋翼飛行器的非線性PID姿態控制相關要點歸納為：

（一）機體轉動PID控制

四旋翼飛行器中機體轉動控制工作的安排上，完全是按照機體坐標的變化，對四旋翼飛行器的線性變化情況進行判定。一方面，飛行器中每一個旋翼均對應一個單獨的旋轉角，且旋翼與支撐桿之間的夾角大小，在某種狀態下屬于相同的周期做功，由此，機體轉動時四旋翼飛行器的PID控制程序，主要是依靠角的變化對PID控制的可行性加以判斷;另一方面，四旋翼飛行器中四個旋翼可以看作是多個獨立的集合體，無論四個旋翼如何發生變化，得到的旋轉周期控制數值都在初期設備的集合范圍內[2]。

假定四旋翼飛行器旋翼分別為A-D，PID在四個旋翼同時啟動時，先依據其旋轉角度對其做功的變化范圍進行分析，初步得到旋翼做功旋轉初期要求后，系統按照設備啟動的具體要求，通過PID非線性操作窗口進行動力供應。其次，將A-D 四個旋翼控制部分周期旋轉做功時所得到的相關數據，都整合在統一的集合范圍中，最后根據集合數字的變化規律，對四旋翼飛行器的非線性做功情況進行機體轉動做功協調性的判斷。

（二）旋翼PID姿態控制

旋翼PID動態控制體系的運轉情況，一般可采用公式分析法，對旋翼上升動力的大小進行相應判斷。其公式可表示為：T=-βE2，其中“β”為旋翼PID動態控制的強度，“E” 表示旋翼空氣密度的變化情況，“T”表示旋翼在 PID非線性控制狀態動力控制的阻力常數與尾流變化情況;同時，四旋翼飛行器飛行期間對旋翼狀態的考慮，自然也要從旋翼所產生的阻力角度上加以判斷。這一計算方式可表示為：Q=±gΩ2f3，其中“G”表示旋翼旋轉中需要克服的阻力強度，“g”表示平面上升的模型參數，“Ω”表示機體旋轉自理矩形控制值，“f” 表示機體運行中所承載的負載力。

假設四旋翼飛行器中非線性PID控制器測定速率為定值，進行四旋翼飛行器的旋翼定位控制時，就可以按照以上兩個公示的要求，相應的進行規律的把握，而電機轉速控制方法的分析，自然也需要依靠電機轉動中的阻力判斷進行問題探究，從這一層面而言，四旋翼飛行器中非線性PID設備做功操作過程的調控方式，就屬于較常見的姿態控制把握體系，它為電機控制結構的靈活運轉提供了處理保障。

（三）PID周期姿態控制

四旋翼飛行器中非線性控制結構分析，也可以從周期姿態四位環境視角進行對應判斷。一般來說，可控要素的周期姿態可在坐標范圍內進行姿四位元數的控制;同時，非線性因素也可以結合PID非線性規則運算輔助法，對四旋翼飛行器做功中的控制因素進行分析。

假設四旋翼飛行設備周圍的干擾強度為A，則PID周期控制設備運轉過程中，反射控制結構將實現反向動態干擾調控，此時四旋翼飛行器的控制強度一般是按照周期波動的規律發生變化，這就是我們所說的四旋翼飛行器PID非線性周期控制的表示形式。

（四）PID控制特性把握

四旋翼飛行器內部控制程序是一個閉合的循環系統，其做功程序的指令轉換過程，是一個無線循環的周期旋轉狀態。我們對四旋翼飛行器的特性進行把握控制時，可以按照PID特性指令把握的方式，將所有產生指令變化的數據都集中在一處即可。

假設四旋翼飛行器飛行控制的所有數值均為穩定控制狀態，則集合中所有的數據飛行姿態的未知常數變量上下變化差異在1-3之間;若四旋翼飛行器飛行期間PID程序數值均為不穩定狀態，則集合中所有飛行數值誤差都要在5-10之間。由此，飛行器控制設備中所有可控因素的變化，都可以通過PID非線性控制因素的基本變化過程體現出來。

（五）PID控制參數分析

四旋翼飛行器中PID控制結構的做功傳輸過程，是按照指令參數、數據尋找、數據調控的順序進行。如果PID指令參數分析差異性不大，說明四旋翼飛行器當前飛行情況為穩定;反之，說明其飛行形態性不夠，它需要對應的進行PID運行協調性綜合判斷。

一方面，四旋翼飛行器中PID非線性控制結構，需通過滾轉角、俯仰角、以及偏航角的參數差進行對應分析。如果四旋翼飛行器處于常態飛行狀態，PID四個角值的變化差異不大;另一方面，四旋翼飛行器中PID非線性做功情況判斷，需根據線性姿態模型中常規螺旋矩的做功強度進行判斷。如果此時飛行器是在機體角度速率控制狀態下自由的進行轉矩控制，則后續飛行器中旋翼部分的控制強度就不會那么大;反之，自由轉矩控制旋翼部分的強度可忽略不計，但旋翼飛行螺旋體周期旋轉時的角速度，也會隨著旋翼PID非線性控制的需求，實現周期性旋轉和持續性調控。 即，四旋翼飛行器中非線性指令調控方式，也是非線性PID姿態控制研究的一部分。

結論：綜上所述，四旋翼飛行器的非線性PID姿態控制研究，是數字化技術在社會發展中綜合運用的理論歸納。在此基礎上，本文通過機體轉動PID控制、旋翼PID姿態控制、PID周期姿態控制、PID控制特性把握、PID控制參數分析，歸納四旋翼飛行器控制技術要點。因此，個人關于數字技術的研究，將為數字技術探索提供新思路。

參考文獻：

[1]潘震，池程芝，張競凱，李鐵穎.基于自抗擾滑模理論的傾轉旋翼飛行器非線性姿態控制研究[J].航空兵器，2018（06）：44-49.

[2]葉波. 基于線性自抗擾的四旋翼飛行器高度和姿態控制研究[D].廈門大學，2018.