一种四旋翼飞行器的控制系统设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于四旋翼飞行器控制与仿真领域，更为具体地讲，涉及一种四旋翼飞行 器的控制系统设计方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，无人飞行器呈井喷式发展，在军事领域和民用领域上发挥着巨大的作用， 并蕴藏着相当大的发展潜力。其中，四旋翼无人机有着结构简单、灵活易控、垂直起降、低速 巡航、定点悬停等独特的飞行特点，相对于其他无人飞行器，在低空复杂环境的适应能力和 问题处理上表现出显著的优势。在军用领域，四旋翼可以实现多障碍地区目标跟踪，敌占区 侦察，搭建通信中继站及目的地测绘等。在民用领域，四旋翼也得到了较为广泛的作用，比 如在航拍领域，四旋翼已经得到产业化，广泛应用于远距监控、航测地图、危险监测、电影制 作、节目录制等。未来几年，多轴飞行器在社会生活中将得到更加广泛和深入的应用，诸如 洞穴探险、危险建筑探测、小型物体运输、高危地区作业等等，前景无可估量。
[0003] 飞行控制系统是无人飞行器的神经中枢，起着调节控制飞行器飞行状态的重大作 用。四旋翼飞行器是非线性系统，通过机理建模较难得到精确的数学模型。现阶段，绝大多 数四旋翼模型与实际模型并不相符，并且设计的自主飞行控制系统不能直接用于实际四旋 翼飞行器上。本发明提供了一种基于精确模型的四旋翼自主控制系统开发方法，所设计的 飞行控制器经过测试实验后就可以应用到实际飞行器中，大大简化了控制器从设计到实现 的流程。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种四旋翼飞行器的控制系统设计 方法，解决现阶段四旋翼数学模型与实际模型不符，以及控制系统的设计不能直接用于实 际四旋翼飞行器上的问题。
[0005] 为实现上述发明目的，本发明一种四旋翼飞行器的控制系统设计方法，其特征在 于，包括以下步骤：
[0006] (1)、搭建四旋翼飞行器，包括动力系统、传感器系统、通信系统和主控系统；
[0007] (2)、调试PID控制器
[0008] 待四旋翼飞行器实验平台搭建完成后，对四旋翼飞行器的PID控制器进行双回路 设计，再利用工程实践方法调试PID控制器，通过试飞四旋翼飞行器，使飞行模态达到设计 效果，再记录该模态下的PID控制器参数；
[0009] (3)、建立四旋翼飞行器的数学模型
[0010] 根据牛顿第二定律，在地面坐标系下，通过对四旋翼飞行器的合外力与合外力矩 分析，可以得出：
[0012] 其中，F与Μ分别为四旋翼飞行器的合外力与合外力矩，V为速度，Η为动量矩，m 为四旋翼飞行器的质量；
[0013] 在四旋翼飞行器飞行过程中，设四旋翼飞行器的质量不变，故可求得四旋翼飞行 器三轴运动方程：
[0015] 其中，θ，φ，φ分别为四旋翼飞行器的俯仰角，滚转角，偏航角；FfFA机体坐 标系下四个电机提供的升力；Fwx，Fwy，Fwz为空气阻力；Fnx，Fny，Fnz为外部扰动；S <^.}分 别表示sin( · )，cos( ·);
[0016] 设四旋翼飞行器四个电机转速为[QiΩ2Ω3Ω4]，旋翼转动惯量为J，根据陀螺 效应公式推出四个旋翼产生的陀螺效应力矩：
[0018] 其中，p、q分别为机体坐标系下，机体绕X轴和y轴的旋转角速度，τxl~τx4分 别表示四个旋翼绕x轴产生的陀螺效应力矩，iyl~iy4分别表示四个旋翼绕y轴产生的 陀螺效应力矩；
[0019] 四旋翼飞行器所受气动力矩为：
[0021] 其中，L为机臂长度，d为旋翼的反扭力系数；
[0022] 根据公式（3)和公式（4)进而得到四旋翼飞行器各轴的转动惯量：
[0024] 设四旋翼飞行器的转动惯量矩阵为：
[0026] 其中，Ix，Iy，Iz分别为绕机体坐标系三轴的转动惯量；
[0027] 根据刚体转动惯量计算公式：
[0029] 可推出机体坐标系下四旋翼飞行器绕各轴的角加速度为：
[0031] 其中，p、q、r分别为机体坐标系下，机体绕X、y、z轴的旋转角速度；
[0032] 结合以上公式，可以得出四旋翼飞行器的全状态运动模型：
[0034] (4)、确定精确的四旋翼数学模型
[0035] 将步骤（2)中记录的PID控制器参数代入到步骤（3)得到全状态运动模型中进行 仿真飞行实验，再根据仿真结果利用实验凑试法，通过观察四旋翼飞行器的响应曲线，反复 凑试参数，完成对PID控制器参数的确定，再使用更新后的参数重新代入到全状态运动模 型中进行仿真，得到四旋翼飞行器实际飞行状态，从而得到精确的四旋翼数学模型；
[0036] (5)、更新PID控制器
[0037] 结合精确的四旋翼数学模型，再次利用工程实践方法在主回路中利用反演算法设 计反演轨迹跟踪控制器，在副回路中利用适用于非线性系统的分数阶PID对反演轨迹跟踪 控制器输出的姿态信息进行权值融及补偿，得到输出控制量，进而完成PID控制器的更新；
[0038](6)、将PID控制器更新后得到的控制器标记为反演控制器，再将反演控制器应用 到四旋翼飞行器的实验平台，完成实物飞行验证。
[0039] 本发明的发明目的是这样实现的：
[0040] 本发明一种四旋翼飞行器的控制系统设计方法，通过机理建模与系统辨识相结合 的方法确定四旋翼飞行器的精确数学模型，而后利用基于精确模型的控制思想对四旋翼飞 行器进行控制系统的设计，很好地解决了四旋翼飞行器数学模型与实际模型不符以及控制 系统的设计不能直接用于实际四旋翼飞行器上的问题。
[0041] 同时，本发明一种四旋翼飞行器的控制系统设计方法还具有以下有益效果：
[0042] (1)、本发明所设计的控制器可以直接用于仿真环境下的四旋翼飞行器模型，大大 简化了控制器从设计到实现的流程；
[0043] (2)、本发明利用工程实践与系统辨识相结合的方法，对四旋翼飞行器数学模型进 行优化，得到的精确模型可以很好的反应对应模态下四旋翼的真实飞行状态；
[0044] (3)、本发明不仅适用于四旋翼飞行器，对于该方法的公式作相应变形后，还适用 于其他飞行器。
【附图说明】
[0045] 图1是本发明一种四旋翼飞行器的具体实施结构图；
[0046] 图2是PID控制器的结构示意图；
[0047] 图3是四旋翼飞行器的地面实验平台；
[0048] 图4是四旋翼飞行器的角度控制实验；
[0049] 图5是四旋翼飞行器的位置控制实验。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
[0051] 实施例
[0052] 在本实施例中，一种四旋翼飞行器的控制系统设计方法，包括以下步骤：
[0053]S1、搭建四旋翼飞行器，如图1所示，包括动力系统、传感器系统、通信系统和主控 系统；
[0054]1)、动力系统主要包括机架、电机、电调、电源和螺旋桨等模块。机架选取DJI的 F450,其轴距为450cm，具有硬度高，韧度好，质量轻且内嵌供电线路等特点；电机选择恒力 源的W48-22KV690;电调选取好盈铂金30A;电源则选取R0C的4s锂电池（5800mAh);螺旋 桨选取1147碳纤桨。如此配置下来的动力系统在标准载重2. 5kg的情况下其续航时间可 达25min左右，完全可以满足飞行实验数据采集任务。
[0055] 2)、传感器系统包括姿态传感系统和位置传感系统。姿态传感系统又称作姿态参 考系统（AHRS)，其主要包括陀螺仪、加速度计、磁力计。对姿态传感器系统的要求是满足实 时性高、精度高、稳定性高。本实施例中，采用荷兰Xsens公司生产的MTI姿态传感器。
[0056] 位置传感系统主要包括GPS模块和高度计模块，主要用于测量飞行器在相对起飞 位置的地理位置信息，为控制器制定导航控制策略提供参考数据。本实施例中使用了带有 UbloxLEA-6H芯片的GPS模块，该模块具有质量轻，搜星快，体积小，数据稳定等优点，比较 适合用于小型飞行器。
[0057] 3)、通信系统采用无线通信方式，通过遥控器与接收机之间的通信和数传模块连 接四旋翼飞行器与地面站的通信。为了保证四旋翼飞行器的基本飞行能力以及为了保证调 试阶段的安全，可靠的人为操纵控制方式是必不可少的，本系统中采用Futaba公司的T8FG 遥控器和R2008SB接收机。
[0058] 4)、主控系统是整个四旋翼飞行器的核心，所有的数据指令都需要在主控系统中 进行处理运算，进而控制飞行器按照既定模式飞行。本实施例中，主控系统的芯片采用ST 意法半导体公司生产的基于Cortex-M4内核带有负点处理单元的32位MOJ。
[0059] S2、调试PID控制器
[0060] 待四旋翼飞行器实验平台搭建完成后，对四旋翼飞行器的PID控制器进行双回路 设计，再利用工程实践方法调试PID控制器，通过试飞四旋翼飞行器，使飞行模态达到达到 满意的效果，再记录该模态下的PID控制器参数；
[0061] S3、建立四旋翼飞行器的数学模型
[0062] 根据牛顿第二定律，在地面坐标系下，通过对四旋翼飞行器的合外力与合外力矩 分析，可以得出：
[0064] 其中，F与Μ分别为四旋翼飞行器的合外力与合外力矩，V为速度，Η为动量矩，m 为四旋翼飞行器