小型四轴飞行器控制系统的研究与设计

茹岩

摘要：小型四轴飞行器，其稳定飞行和各个角度上灵活移动的特性，以主控制和远程控制系列为核心，主控制源程序ZIN-7 V3.5（keil MDK）为设备，通过平衡状态使系统能够在无线电模块NRF24L01和远程控制设备之间建立连接。基于小型四轴飞行器控制系统的程序代码，四轴飞行器通过超声波与无线接收和发送电路收集的数据相结合，来检测飞行器的飞行数据。实践结果表明，实验设计的四轴飞行器控制系统可以很好地完成目标任务。

关键词：四轴飞行器;控制系统;研究

引言：

小型四轴飞行器，也被称之为小型四旋翼飞行器。其作为一种多旋翼飞机，其飞行控制系统的设计与研究已引起了广泛的关注，同时应用前景十分广阔。基于其飞行器特性，可以实现空间的自由运动，具有灵活、易于控制和高度灵活等特性，技术人员通过系统化地研究与设计，可应用至诸多方面。

1.小型四轴飞行器控制系统的设计

1.1小型四轴飞行器的硬件设计

电源模块电源是控制电路中最重要，必不可少的部分。电源的稳定性是小型四轴飞行器稳定性的前提。同时，电源的稳定性还为电动机驱动器和MEMS位置检测传感器提供电压和电源保护。

1.2小型四轴主控制模块

小型四轴飞行器的控制系统，其主要由主控制模块协作外围运行。主控制模块基于微控制器及其外围电路部分组成。而微控制器是四轴飞机主要控制的核心。通过接受来自发动机驱动模块的远程控制命令，它将对飞机的总体影响产生重大影响。微控制器在系统优化中为整个飞行控制流程供电，并承担着重大风险的控制任务。小型四轴飞行器核心的微控制器具有很高的工作效率。与此同时，内存模块，也在小型四轴飞行器控制中扮演着不可忽视的角色。技术人员对由数据分析和调试传感器收集的设置信号，进而开展一系列数据分析以及飞行融合处理，起到分析和记录所存储数据的作用。

外围通信模块带有小型四轴传感器的外部通信模块是指主控制器和飞机之间相互作用的无线数据。电机驱动模块电机驱动模块主要使用外部电源作为能源，并且还包含一个可用来确定电机是否导通的电路。

2.小型四轴飞行器控制特性

四旋翼飞机的特点是垂直起降，控制灵活简单。它已被广泛用于军事和民用领域，吸引了许多研究人员探索其控制策略和应用开发。但是，通用研究所定义的数学模型与实际模型之间存在差距，许多理论上证明有效的控制方法不能很好地应用于实际应用，导致理论研究与实际应用之间的分离。因此，创建与实际飞行状态相对应的数学模型，并找到将理论应用于现实的方法尤为重要。本文提出了从实际研究中识别系统参数，然后将基于模型的设计思想，用于自主性的方法设计和实现飞行控制系统的思路，做了以下工作：首先，四轴动力学和运动学分析飞行器子模块，以创建更精确的四轴飞机数学模型;其次，使用获得的相对准确的模型设计反演控制器，证明其稳定性然后结合实际情况使用这些属性姿态控制回路中破损的PID应用于非线性系统，并在其上定位补偿控制器还设置了切换飞行模式的标准，以确保飞机安全可靠该模型由符合双回路PID控制器的四轴飞行器仿真所取代，该模型允许飞机在低速模式下正常飞行。模型通过分析响应曲线来确定飞机模型中的不确定参数，从而调整设计参数的预测表。第三，在MATLAB / Simulink仿真环境中执行所设计的控制器，以检查所设计的控制器系统的动态行为，并进行了仿真实验。结果表明，在姿态实验和轨迹跟踪实验中均可实现飞机的稳定控制。通过建立模拟四轴实验测试平台，根据其所精确的模型设计将控制器应用于飞机。技术人员进行倾斜控制和位置跟踪测试，测试结果表明，主调节器的反转调节器和分数PID调节器是自主飞行控制系统的辅助设计。

3.自主飞行控制系统的实施和飞行测试验证

基于小型四轴飞行器的特性，有必要进一步确定四轴飞行器模型的参数，以使其更接近实际飞行状态模型。确定四轴飞行器模型参数的基本范畴。为了确定四轴飞行器的参数，可以基于数据测量与严控，以及精确的空间实验来确定有效参数，但是系统中的其他不安全参数则不能通过一般手段来确定。这就需要开发一个新的想法。由于飞机自身特性的局限性以及对系统非线性多重耦合的要求，频域识别方法难以实现，而频域识别的结果并不是所需的非线性参数形式。通过检查飞机的性能和现有测试条件的影响，提出了以下确定飞机参数的方法：首先无法通过基本测量精确确定的参数和模块，然后是带有两个回路的简单PID控制器四轴飞机设计，使用工程实践确定飞机简单飞行模式的PID控制器参数，然后将可用于实际飞机的控制器，应用于参数不确定的四轴飞机仿真模型。通过了解四轴飞机的飞行模式并分析系统对电流控制器的控制效果，估计并确定系统中的不确定参数，然后使用更新的参数来分析仿真实验，从而观察实验的仿真结果。重复此过程几次，直到模拟实验可以更好地跟踪实际飞行条件。此时，技术人员可以确定飞机相应模态的参数，使用精确参数的数学模型用于设计非线性控制。在这一点上，经过简单的测试实验，设计的控件只能应用于实际的飞机，这也是这项工作的意义。

结束语

本文主要基于小型四轴飞行器的系统预设定要求，对其控制系统以及软件的设置和程序的编写进行了简略分析和研究，技术人员在今后的四轴飞行器研究探索方面，还仍待研究和改进。

参考文献：

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[4]  付佳贺. 小型四轴飞行器自主飞行控制系统的设计与实现[D].电子科技大学，2015.

基金项目：基于变论域模糊PID的四轴飞行器控制系统设计与实现，项目编号：2020KY44011

（作者单位：柳州铁道职业技术学院）