四旋翼飞行器悬停控制的研究

周湘淇 刘向东

（嘉兴学院南湖学院，浙江 嘉兴 314001）

0 引言

四旋翼飞行器也称为四旋翼直升机，简称四轴、四旋翼，是一种有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。它是多旋翼飞行器中最基本的一种。可以用作航拍、桥梁和电力线路检测、定点巡航、娱乐等.还有两轴、三轴、六轴、八轴等类似飞行器。在2014年浙江省大学生电子设计大赛中出现过四旋翼飞行器的题目，要求设计制作一架能够自主飞行的四旋翼飞行器，做到定高飞行。

本文以四旋翼飞行器悬停控制为目标。首先保证飞行器能平稳飞行，其次再定高飞行。设计以TI公司的launchpad w/tm4c 123作为主控制器，通过对三轴加速度和陀螺仪MPU6050为基础数据的处理，得到四旋翼飞行器空间姿态角，通过超声波得到四旋翼飞行器的空间位置，最后通过PID控制器控制电机的转速。飞行器采用的是无刷电机，这类电机的动力大，利于较大的电机。

1 四旋翼飞行器的平稳飞行

单片机从MPU-6050芯片获取的数据是飞行器的三轴角速度和三轴角加速度，MCU对数据进行处理可以得到飞行器当前的飞行姿态，使姿态解算得到的欧拉角为基础，利用PID控制四个电机的转速，使飞行器达到或保持预定的水平姿态。

PID计算方式如图1所示。

图1

在该飞行器系统中，PID各个参数经过调试得出：

K=1 P=300 I=0 D=125。

2 四旋翼飞行器的悬停

在研究悬停过程前，实验实现了四旋翼的平稳飞行，故定高悬停计算只需计算主动力。由于四旋翼飞行器就实际而言是一个非线性高耦合欠控制的系统，在建模时常常忽略外界不稳定因素。四旋翼飞行器的四个直流无刷电机提供机身的整体升力，由于忽略了四个旋翼之间的耦合，整体的升力可以表示为每个旋翼提供升力之和。即：Fa=F1+F2+F3+F4，则依据牛顿第二运动定律可以写出F1=F2=F3=F4=Mg/4。

由出厂信息可知M=3.23kg。

电机的信息如下

则本文建立的高度PID模型如下：

KP=herror-last1herror;

KI=herror;

KD=herror-2*last1herror+last2herror);

图2

经多次实验，PID控制器最后的数据如下。

P=2.2 I=1.2 D=3.5.

程序的流程图如下：

图3

3 总结

本文主要研究了四旋翼飞行器的定高控制的方法，结合实际情况，建立模型，进行PID控制,提出了用廉价的超声波模块来实现实验操作实现飞行器自主飞行。

电机的型号和相关数据如下：

表1

［1］凌金福，四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[J].2013.

［2］李飞,四旋翼飞行器姿态自平衡控制系统的研究[J].2013.

［3］刘丽丽.四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D].长沙：中南大学,2009.

［4］吴中杰.四旋翼飞行器设计及其姿态控制[J].2012.