四旋翼的平衡控制研究

李金鹏 丁玉琳 孙文峰 张心歌

【摘要】：四旋翼无人机由于制造成本低，运动原理简单，只需通过改变四个电机的转速即可实现运动控制，具有优良的操控性和机动性，可以在小区域范围内起飞，盘旋，着陆。因此我们使用一种以STM32 高性能单片机为核心的飞行控制器，采用模块化设计思想，运用经典的PID 控制方法，实行其平衡控制。

一、引言：

四旋翼飞行器是一种具有4个螺旋桨的飞行器，4个螺旋桨呈十字交叉结构，对称分布在机体的前、后、左、右4个方向，并且处于同一高度水平面，4个电机对称安装在机架末端，机架中央安放飞行控制器，飞行器通过调节四个电机转速来实现升力的变化，从而控制飞行器完成各种姿态和动作。

四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它是一种欠驱动系统。四旋翼飞行器的结构形式如图1所示，电机1和电机3逆时针旋转，电机2和电机4顺时针旋转，各个旋翼对机身所施加的反扭矩可以相互抵消。由于飞行器自身的不稳定结构，所以需要一种能够随时检测，不断调整的控制方法。

二、设计原理：

飞行控制器主要有微控制器、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计、GPS、无线通信模块等组成。飞行器由于安装、外界干扰、零件之间的不一致等原因会形成飞行器力量不均衡，导致飞行器容易发生侧翻。飞行控制器通过各路传感器获取实时数据，经过计算求出姿态角，再根据无线接收机收到遥控命令数据进行比较，计算出控制量，对这些控制量进行PID计算，将输出量转化为PWM信号，分别控制各个电机转速，达到想要的姿态和位置。

三、硬件设计：

四旋翼飞行控制系统的微控制器选用目前市场最流行的STM32，具有资源多，计算速度快，价格低廉等优点，传感器分为陀螺仪、加速度计和罗盘。陀螺仪用于检测角速度，在生產应用中会引入三轴偏差和零点偏差，所以采用积分推算校准的方法对陀螺仪进行精确校准。加速度计是用于检测飞行器加速度的传感器，飞行器在误差消除方面使用加速度计的测量值对陀螺仪x轴和y轴方向的漂移做参考【1】，对陀螺仪的漂移误差进行校准。选用MPU6050，大大降低了陀螺仪与加速度计之间对准是产生的误差，并使用数字低通滤波器，过滤无人机造成的高频震动，避免了四旋翼的姿态测量误差，数据之间采用I2C端口连接，由于I2C总线属于低速通信号总线，根据I2C总线的时序规则，可以在STM32任意两个模块实现I2C通信，极大地扩展了I2C总线个数及功能。

四、软件设计：

4.1系统程序

系统首先完成MCU内部初始化，开始运行STM32处理器用到的外部设备，其中有NVIC中断处理器、USART串口通信、定时器、时钟系统、I2C接口；之后是初始化硬件和系统姿态解算，运用模块化设计。最先的是定时器中断开启，通过2.5ms的计时中断与I2C接口获得三轴数字罗盘的和MEMS传感器的测量数据，之后根据传感器的特点进行滤波，再利用初始校正所得到的校正数据校正读取的数据，校正完成后，对其做加权平均减少误差，之后进行地磁数据校准与四元数姿态解算，最后数据融合【2】，输出校准后的姿态角信息。

4.2 PID控制算法

四旋翼无人机因其结构对称，将飞行控制系统分成姿态控制系统与位置控制系统，对两种飞行控制系统分别进行控制设计。但是在通常情况下，飞行姿态会直接影响到无人机的位置，如果把无人机姿态控制器称为内环控制器，位置控制器称为外环控制器。首先需要得出四旋翼无人机姿态误差信号也就是当前获取到的姿态角与期望值的姿态角的差值，之后再通过串级PID控制算法得出各个电机的调整量，将调整量信号传递给四个旋转的电机，通过改变四个电机的转速来实现控制整个系统的姿态，使得姿态误差始终趋向最小，最终形成双极闭环回路控制系统【3】，控制系统结构如图2所示。

五、总结：

本文主要论述了四旋翼的飞行原理和控制方式，实现了四旋翼飞行器的硬件、软件的设计要求，四旋翼虽然达到了设计的要求，但仍有许多问题需要解决：PID的参数需要经过多次实验调整，飞行器适应能力差，稳定性需要提高，使能够具备自主起飞、巡航、侦察的能力。

【参考文献】

【1】邹佳池.罗盘和加速计校正方法.微信公众号“知控制”.

【2】吴涛，戈惠梅，顾志华.四轴无人飞行器控制系统设计[J]，河南科技，2014.

【3】陈自力.无人机-嵌入式控制[M].北京：国防工业出版社，2015.

基金项目：西北民族大学电气工程学院“双E”大学生科研创新项目资助

（项目编号：201842509）