四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计

2023.06.17

刘岩杨牧

摘要：随着社会科学技术的不断发展，微控制器、传感器及电力驱动技术的成熟，四旋翼飞行器已经逐渐取代了传统的螺旋翼直升机飞行器，由于四旋翼飞行器有十字架构和四个螺旋翼，其属于一个强耦合、非线性及欠驱动的六自由度系统，本文分析基于模糊控制的PID控制算法，以求持续提高四旋翼飞行器的控制效果。

关键词：四旋翼飞行器；动力学模型；模糊控制；PID控制

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

四旋翼飞行器由于其独特的飞行方式使得其起飞和降落需要较少的空间，便于保持在较高的操纵性能飞行在障碍物密集的环境当中，同时四旋翼飞行器可以保持稳定的飞行姿态，因此在军事和民用领域都有较好的应用前景。四旋翼飞行器具有简单的机械结构，其主要由十字状构架和四个旋翼组成，在对四旋翼飞行器数学建模时其属于强耦合、非线性及欠驱动六自由度系统，通过控制四个螺旋桨不同速度就可是实现不同的飞行姿态。对于非线性强耦合的系统的控制较为困难，因此要实现四旋翼飞行器从初始位置运行到既定位置并能保持当前的运动状态，就可以将非线性的四旋翼飞行器模型进行近似线性化的处理。在四旋翼飞行器控制过程中可以采用双闭环结构，将内环角度环输出作为外环速度环的控制输入，从而实现对四旋翼飞行器运行姿态的控制。

1 四旋翼飞行器的控制原理

1.1 四旋翼飞行器的垂直飞行与俯仰飞行的控制原理

四旋翼飞行器在控制过程中通过调整电机转动速度来改变合力实现飞行的多种姿态。在四旋翼飞行器垂直飞行过程中，首先需要处理好电机转动过程中产生的反转矩作用，在1号与3号电机逆时针运行的同时2号与4号电机顺时针旋转，当两者产生的合力能保持大小一致时，就会使他们产生的反扭矩互相完全抵消。當各电机均产生向上拉力且拉力大于飞行器重力时就会使四旋翼飞行器上升，同时电机转动速度增加会使拉力变大，当拉力大于飞行器重力时就可以实现悬停状态，为了保证四旋翼飞行器可以实现垂直飞行，就需要四个电机的转动速度相同。当四旋翼飞行器需要产生俯仰飞行时，可令2号和4号电机朝同一个方向旋转并保持相同的旋转速度，1号电机运行速度增加，3号电机运行速度降低，则会使四旋翼飞行器向X轴方向产生俯仰并进入不平衡状态。

1.2 四旋翼飞行器的横滚飞行、偏航飞行与前后飞行的控制原理

四旋翼飞行器的横滚飞行与俯仰飞行的控制原理相似，令1号和3号电机转速恒定，使2号电机转速增大的同时改变4号电机转速，就会使四旋翼飞行器左右两侧升力产生差异进而飞行器绕X轴旋转实现横滚运动。四旋翼飞行器需要进行前后运动时，2号与4号电机转速不变，增大1号电机转速的同时减少3号电机，此时飞行器的前侧升力大于后侧升力，会与Z轴正方向呈现锐角即有正的俯仰角，四旋翼飞行器产生一个向后的运动。在四旋翼飞行器前后运动时相同转向的一组电机转速增加，另一组电机转速减小，此时会时飞行器产生偏航角，并且偏航方向与转速增大的一组电机方向相反。

2 四旋翼飞行器的动力学建模

建立准确的四旋翼飞行器动力学模型对于研究合适的控制算法并提高控制精度有重要作用，在进行四旋翼飞行器数学建模时需要先对飞行条件进行理想化假设，并建立系统的参考坐标系，再对四旋翼飞行器进行受力分析和力矩分析。假设四旋翼飞行器在低空空域飞行，且飞行速度小于40km/h，飞行范围不超过10km，则可视四旋翼飞行器的维度和飞行高度保持恒定。空间中的四旋翼飞行器有俯仰、滚动、偏航、垂直、横向及纵向六种运行状态，因此根据机体运行规律建立六自由度动力学模型，其不仅要确认机体每刻的空间位置，还需要描述机体的机械运动状态，根据两种相对变化建立两种不同参考坐标系，再通过转换矩阵将四旋翼飞行器质心运动规律统一到一个参考坐标系中。四旋翼飞行器的运动较为复杂，在进行受力分析过程中需要将这些运动简化为简单直线运动，将机体运动看作是俯仰运动、滚转运动及偏航运动的按照平行四边形法则的合运动，在进行力矩分析过程中由于四旋翼飞行器属于“+”型对称结构，当俯仰角或横滚角发生改变时，会产生一机体质心为中心的并且垂直于机体平面的力矩即为机体的旋翼臂，进而可以求出机体的俯仰力矩式和滚转力矩式。

3 四旋翼飞行器的姿态控制算法研究

对于四旋翼飞行器姿态控制算法最为常用的就是PID控制，其在处理线性系统的控制具有稳定性强、可靠性高及设计简单的优点，但由于四旋翼飞行器属于非线性系统因此不能直接使用PID算法。基于PID算法设计基于模糊控制的PID算法可以根据系统状态的不间断特性实现对控制参数的实时优化，从而满足对四旋翼飞行的姿态控制。PID算法主要包括比例、积分及微分三个部分，其中比例部分直接决定机体控制力的大小，当比例部分越大时系统的超调量越大，则系统的振荡幅度越大，系统动态性能越差，调整系统状态的调节时间就越小。积分部分可以消除系统的控制偏差，积分作用可以累积控制偏差。微分部分可以影响控制系统的动态性能，设定合适的微分参数值，可以有效减少系统的超调量并提高系统姿态运行的稳定性。

4 结束语

四旋翼飞行器具有体积小、隐蔽性强、功耗低、机械机构简单及容错能力强的特点，因此在民用及军用领域均有广泛的应用，但同时四旋翼飞行器模型具有非线性、强耦合和欠驱动的特点，因此控制四旋翼飞行器的姿态状态具有一定难度，本文中设计基于模糊PID控制策略实现对四旋翼飞行器的有效控制。

参考文献：

[1]国倩倩.微型四旋翼飞行器控制系统设计及控制方法研究[D].长春：吉林大学，2013.

[2]张镭，李浩.四旋翼飞行器模糊自整定PID姿态控制[J].计算机仿真，2014，31（08）：73-77.

[3]胡锦添.基于PID神经网络的四旋翼飞行器控制系统研究[D].广州：广州大学，2013.