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四旋翼飞控系统设计文档

第一章绪论

1.1研究背景

任何由人类制造、能飞离地面、在空间飞行并由人来控制的飞行物，称为飞行器。

在大气层内飞行的飞行器称为航空器，如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直

升机等。

它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。

飞行器

不仅广泛应用于军事，在民用领域的作用也在增加，机载GPS和MEMS（Micro-

Electro-MechanicalSystems）惯性传感器的飞行器甚至可以在没有人为控制的室外环境中飞行，也就是大家所熟知的无人机，。

因此国内外研究人员对飞行器进行了大量研究。

对飞行器的研究目前主要包括固定翼、旋翼及扑翼式三种，而我们所研究的四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼的一种，相对于别的旋翼式飞行器来说四旋翼飞行器结构紧凑，能产生更大的升力，而且不需要专门的反扭矩桨保持飞行器扭矩平衡。

四旋翼飞行器能够垂直起降，不需要滑跑就可以起飞和着陆，从而不需要专门的机场和跑道，降低了使用成本，可以分散配置，便于伪装，对敌进行突袭和侦察。

四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势决

定了其具有广泛的应用领域，在民用，医疗，军事等领域都有着无限的潜力。

在民用领域，它可以进行航拍，以得到在地面难以测量和计算的数据；在医疗领域，四旋翼直升机可以进入普通地面机器人难以到达的地区进行搜救等活动，最大程度的避免人员财产损失；在军用方面，四旋翼直升机可以作为侦查使用，它飞行灵活，稳定，同时，若在四旋翼直升机上增加其他机械装置，则可以利用它完成更加复杂和重要的任务。

然而，作为一个MIMO非线性系统，四旋翼飞行器输入变量与输出变量之间的耦合作用、时变非线性的动力学特征、系统本身的不确定性及外部的干扰等的引入，使得系统的控制问题变得十分复杂。

如何能够设计出有足够的飞行动力并且具有良好稳定性的控制系统，是四旋翼飞行器如今面临的主要问题，这也使得强大而又易于控制的发动机和控制飞行器协调工作的控制系统成为四旋翼飞行器设计的关键。

近几年来，国外一些知名研究机构扩展了四旋翼飞行器的研究领域，希望其在无GPS信号的室内环境中可以利用一些特定的传感器数据进行导航，所以拥有一个稳定的飞控系统是非常必要的，而国内对于四旋翼飞行器飞控系统的研究起步较晚，一些稳定的飞控系统都被商品化，我们不能对其根据自己的需求进行修改，这给我们的研究带来很多的不便，因此我们需要开发一款属于自己的飞控系统。

1.2国内外研究现状

MD4-200是德国microdrones公司研发的微型无人飞行器，机体和云台完全采用碳纤维材料制造，这种材料拥有更轻的重量和更高的强度，也使MD4-200

具有抗电磁干扰的能力。

飞行时间不低于20分钟。

MD4-200的核心是AAHRS（姿态、高度及航向参考系统），集成了加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、湿度计、温度计等多种高精度传感器和卓越的控制算法，md4-200的操控因而变得非常简单。

可制定飞行航线规划，让飞行器按照预设的航线自动飞行。

采用选配的GPS系统能够实现空间位置锁定与自动航点导航功能，还可以选择以microSD卡作为记录器的飞行记录仪来实时记录和分析飞行数据，所有重要的飞行数据都可以下载到数据中心，包括电池状态、高度、姿态、位置、飞行时间等，用于航后的数据分析。

MD4-200还具有安全保护措施以避免坠毁，它能够在电量不足和失去控制信号时自主降落。

OS4是瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器（S.Bouabdallah,R.Siegwart,2007），研究的重点是机构设计方法和自主飞行控制算法，目标是要实现室内和室外环境中的完全自主飞行。

该项目进行了两个阶段的研究。

已经分别基于多种控制算法（例如：

PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode），实现了飞行器姿态控制。

2006年1月EPFL已经实现了OS4Ⅱ在室内环境中基于惯导的自主悬停控制。

麻省理工学院（MIT）计算机科学和人工智能实验室RobustRoboticsGroup

开发了一种微型四旋翼飞行器（R.He,S.Prentice,N.Roy,2008），安装北阳（Hokuyo）

的激光测距仪、地平面传感器、摄像机，组成了“激光测距+视觉”的自主飞行

系统。

它既没有安装GPS也没有安装惯性导航装置，因为对于微型飞行器而言，

惯性导航装置成本高昂、体积大和质量重。

这种微型四旋翼飞行器利用机载的激

光测距仪估算自身的相对位置、偏航角和高度信息；利用机载激光扫描仪和照相

机用于环境感知、重建并规划飞行、建立自身在环境地图中的映射和确立明确的

飞行路径以在室内狭小的空间和存在GPS盲区的区域安全稳健的自主飞行。

KinectQuadrocopterMIT是麻省理工学院ComputerScienceandArtificial

IntelligenceLaboratory和RoboticsandStatesEstimationLaboratory合作研制的。

在四旋翼飞行器上安装Kinect，使四旋翼能够完全自主3D地图映射（3-Dmapping）和飞行。

采用SLAM（SimultaneousLocalizationAndMapping）算法构建环境模型，并使用Kinect传感器采集数据信息。

SLAM地图映射使得飞行器还能够在GPS盲区（如室内、密集的城市环境等）自主飞行执行任何和进行远程控制（A.Bachrach,R.He,N.Roy,2009a，A.Bachrach,R.He,N.Roy,2009b）。

这对于四旋翼4DraganFlyerX4是DraganflyInnovationInc.设计的一种超级遥控摄像飞机，具有惊人的性能和良好的稳定性，它轻便小巧易于携带，质量为680g，最大长度约77.5cm，有效载荷为250g。

可用来测量、工业测绘、军事侦察、空中摄影等；机载高性能处理器可以运行数千行代码并且接收传感器（三个加速度计，三个陀螺仪，一个气压传感器）输出的信息并加以处理。

操作者使用手持式控制器可以控制它飞行的方向、速度大小，也可以调整飞行的高度。

可以做到自动平衡，该项目由OfficeofNavalResearch和ArmyResearchOffice资助，具有明显的军事用途。

AR.Drone直升飞机是法国派诺特（Parrot）公司开发的一款飞行器，AR.Drone

类似于一款无人驾驶直升机，拥有四个独立旋翼，操作员可以使用iPad、iPhone、

和iPodTouch上的软件对其进行飞行控制操作。

由于整个飞机的操作都是基于

飞机自身发出的Wi-Fi信号，因此操控距离可达50米。

该飞行器的下方还加装有重力感应装置、陀螺仪、机械控制芯片等部件，利用智能飞行技术可以纠正风力和其他环境误差，平衡AR.Drone的飞行速度和角度。

这款航模的驾驶舱前部安装有一个摄像头，可以将第一人称视角的画面通过Wi-Fi信号传回iPad（或

iPhone、iPodTouch），这样就能在iPad上看到逼真的模拟驾驶舱画面，而Parrot

公司还提供有SDK，游戏开发者可以针对该产品设计开发虚拟空战游戏。

1.3国内外现有的四旋翼飞控系统

1.4文档主要内容

设计四旋翼飞行器需要综合很多方面，例如设计飞行器结构、选择合适的传

感器件和有效的控制算法等等。

本文的主要任务是实现四旋翼飞行器完整控制系

统的设计，包括实验用飞行器模型硬件部分及软件部分设计，系统的动力学建

模，姿态解算原理及实现，基于动力学模型的控制器设计，最终还要完成装置的调试和飞行实验。

具体研究内容分为以下几个部分：

（1）系统硬件设计。

通过分析四旋翼飞行器的飞行原理，确定结构模块化的硬件设计思路，分别进行系统控制模块、PWM驱动模块、IMU（惯性测量）模块和遥控器信号捕捉模块硬件原理的分析和实物电路的设计。

（2）结合四旋翼飞行器的硬件结构，进行软件编程部分的工作。

按照四旋翼飞行器的飞行原理和控制特性进行系统飞行控制主程序以及各模块软件编程。

（3）对四旋翼飞行器系统的控制方法进行研究，根据飞行原理进行动力学建模，并完成系统控制器的设计。

（4）系统调试和实验结果分析。

首先对系统的各个模块进行相关调试和检测，

然后组装模型，进行四旋翼飞行器实物系统的飞行实验，验证理论设计方案的合

理性。

第二章四旋翼飞控系统硬件平台搭建

2.1四旋翼飞行器飞行原理

图2-1四旋翼模型图

四旋翼飞行器故名思议采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后、左右四个方向，如图2-1，四个旋翼处于同一高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼1和旋翼3逆时针旋转，旋翼2和旋翼4顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端。

四旋翼飞行器和典型的传统直升机不同，直升机配备有一个主转子和一个尾浆。

他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。

四旋翼飞行器是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。

由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力不稳定，所以需要一种能够长期确保稳定的控制方法。

图2-2四旋翼飞行器飞行原理图

四旋翼飞行器是一种六自由度的垂直起降机，因此非常适合静态和准静态条件下飞行。

但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以它又是一种欠驱动系统。

因为电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转，所以当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

四旋翼典型的控制模式有两种，即“十”模式和“X”模式，如图2-2是“十”模式控制原理图，图a）中表示的是1号电机转速比3号电机快，这飞行器会向后方运动，同理图b）中3号电机转速比1号电机转速快，则飞行器向前方运动，图c）和图d）表示的是飞行器向左右运动的控制原理图，图e）和图f）表示的是飞行器上下运动的控制原理图，当四个电机转速同时增大时飞行器会上升，同时减小时飞行器会下降。

图g）和图h）表示的是飞行器偏航方向的控制原理图，当1号和3号电机转速比2号和四号转速快时，飞行器会逆时针旋转，同理增加2号和4号电机的转速，飞行器会顺时针旋转。

四旋翼的另外一种控制模式是“X”模式，和“十”模式控制方式相比只有在前后和左右方向上不同，而垂直方向和偏航方向控制完全相同。

“X”模式下左右运动依靠左右两对电机的转速差控制，前后运动依靠前后两对电机的转速差控制。

本实验室开发的飞控系统基于的是“X”模式。

2.2四旋翼飞控系统硬件平台设计

2.2.1设计目标

本实验室所设计的四旋翼飞控系统的目标是设计出一套完整的四轴飞行器飞行控制系统，并利用硬件和软件实现设计的控制系统，从而实现我们的控制目标，期望通过该飞行控制系统可以让四旋翼飞行器在近地环境下，通完成垂直起降、悬停等动作，并在对其施以外界干扰时能自动调节迅速恢复到平稳状态，最后能在此基础上通过暴力测试。

同时为了能够满足飞行试验的需要提出了以下要求：

（1）具有较高的可靠性。

（2）具有较好的可维护性，配件的购买和更换方便，便于外场试验。

（3）具有较好的安全防护机制，可以应对突发的故障。

（4）具有一定的续航能力，提高外场飞行试验效率。

2.2.2系统硬件结构

整个系统硬件部分根据模块化思想进行设计，结构框图如图2-3所示

图2-3系统硬件结构框图

从上图可以看出整个系统主要包含的模块有遥控器信号捕捉模块、IMU（姿态测量模块）、PID控制器模块、PWM输出模块、IIC模块和USART（无线串口）模块。

下面简要介绍每个模块的功能：