四旋翼航姿控制与控制技术

航姿控制与控制技术

飞行控制是四旋翼飞行器的垂直起降控制和小角度内的姿态变化控制。在飞行控制的软件设计中，以四旋翼飞行器最基本的飞行特性一空中悬停状态为例来说明飞行器系统的飞行控制过程。

由四旋翼飞行器的飞行原理可知，飞行器飞行姿态的调节最终体现在四个带桨电机的速度调节上，在四个电机不同的转速组合条件下，飞行器能够实现俯仰、横滚、偏航等不同的飞行姿态，相应的飞行控制系统也使用三个控制通道，采用一定的控制律控制每个通道。本章中采用多个单变量控制回路实现飞行器三个控制通道控制律的设计，忽略各通道之间的耦合作用。

Fig.3一1 Flow Diagram of Flight Control Program

飞行控制主程序的主要功能是采集角速率陀螺反馈回来的飞行姿态角速度信号以及手动输入的姿态角度控制信号，然后对飞行器进行闭环控制，使其完成姿态的调整，提高飞行的稳定性与可靠性。如图中所示，系统上电后首先完成对各个参变量的初始化和相关寄存器设置，之后给定起动信号，进入电机驱动程序，进行外同步变频起动升速及内同步切换，同时开启AD转换，将角速率陀螺反馈回来的信号转化成数字量储存在寄存器中，并通过与陀螺参考输入的比较得到当前角速率偏差值，然后采取基于Ha理论的回路成型控制，根据四旋翼飞行原理将控制器计算后得到的调整量分配到相应的电机上。调节滑动变阻器修整飞行

器的飞行角度，将输出的电压经AD转换并通过软件处理之后得到另一个电机转速调整量。这两个调整量结合转化成转化成每个电机驱动程序中对应的控制信号的占空比值，调节电机转速，直到将姿态角信号调节为零。 四旋翼飞行器结构对称，故而系统俯仰运动和横滚运动模式相同，可采用同样的实现方法，这两种运动模式均基于系统水平轴的欧拉角速率，控制作用体现在相应的一对带桨电机上，控制效果要实现两对应电机转速等量反向变化，俯仰(横滚)角转速调整为零。而偏航运动是由四个带桨电机共同作用引起的，是相对于竖直轴的欧拉角速率，控制作用体现在四个电机上，最终控制效果要达到偏航力矩为零。

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