四旋翼飞行器的飞行控制系统设计
邱丽

飞行控制系统总体设计
一、四旋翼飞行器选型 二、四旋翼飞控器控制的特点 三、四旋翼飞行控制系统的基本工作原理 四、飞行控制器总体结构 五、四旋翼飞行器模型 六、姿态解算 七、控制算法：PID控制、滑模控制、鲁
棒控制、Kalman滤波等
一、四旋翼飞行器选型


(Kd Kl
U
4

K a fz
)/
Iz
输出量
输入量
U 1 控制三个位置x，y，z；U 2 控制横滚角 ；U 3 控制俯仰角 ；U 4 控制偏航角
六、捷联惯性导航—姿态解算
硬件
加速度计、陀螺仪、数字罗盘 加速度计输出基于载体坐标系的加速度，数字罗盘输出基
于载体坐标系的磁场强度，二者结合可解算出三轴姿态角 （横滚、俯仰、偏航） 陀螺输出三个轴向的角速度，积分运算得到载体的姿态角
三、四旋翼飞器系统的基本工作原理
四旋翼飞行器飞行控制系统简图
四、四旋翼飞控系统总体结构
整个飞行控制系 统包括传感器 模块、四电机 控制模块、中 心控制模块、 无线通信模块 和地面控制站 等部分
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
平动动力学模型
m—四旋翼直升机质量
—直升机平动位置， =[x y z]’
七、多传感器融合—卡尔曼滤波
计算观测向量
+
vk -
+
Kk+源自选取状态矢量xkCk
Ak-1
Xk|k-1
delay
卡尔曼滤波算法就是预测和修正 的不断递归。预测新的状态和协 方差，然后利用观测向量对状态 和协方差进行修正。
（和海拔、电池、环境有关，需够携带一微 型摄像机）。 尺寸：机身全长、机身宽、机高、旋翼直径。 飞行时间：无线控制 动力：电池供电、四电机驱动
例1：Draganflyer IV级遥控模型主要参数
例2：华科尔4#遥控模型主要参数
华科尔4#是一个闭环控制系统，它把三个陀螺仪作为反 馈来稳定控制滚转、俯仰和偏航。闭环控制有两优点 ：一是机身旋转和操控员命令相对应；二，纠正外部 来的干扰（如：风）
arcsin Ay / g
偏航角 通过数字罗盘得到
*
arctan

YH XH

arctanXcosYYscionssinZsinZcossin
六、陀螺仪解算姿态—状态向量
陀螺仪通过单轴积分法获得三轴姿态角
yk(xb)
x为陀螺仪输出电压， y为旋转角速度 k为输出电压到旋转角速度的比例系数 b为陀螺仪输出电压零点。
F i 的组合简化
简化三角函数
忽略二次项相乘，认为是高阶小项
五、模型简化
x ( U 1 K dtx x ) / m y ( U 1 K dty y ) / m
z (U 1 K dtz y m g ) / m
( d U 2 K afx ) / I x
方案一、买整机改装：重点在控制器的设计、 改善飞行品质上，忽略底层结构设计和模型 搭建琐碎问题。
方案二、买配件后自己组装：大量时间和精力 放在结构设计和零件选取购买上。
建议：方案一，选成熟的“X”型四旋翼飞行器
一、四旋翼飞行器选型
四旋翼飞行器选型需考虑的几个主要参数： 重量：遥控模型重量（含电池）、有效载重量
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器有四个输入力、六个输出（即六 自由度，包括绕三个轴的转动：俯仰、偏航 和滚转，重心三个轴的线运动：进退、左右 、侧飞和升降），所以它是一种欠驱动系统 （少输入多输出系统）。这种系统容易导致 不稳定，需要确保长期稳定的控制方法。
二、四旋翼飞行器控制的特点
四旋翼飞行器的输入就是每个电机的旋转力矩 之和。俯仰运动是由加大（或减小）后端旋 翼速度，同时减小（或加大）前端旋翼转速 来实现的。滚转运动，即加大（或减小）左 侧旋翼转速，同时减小（或加大）右侧旋翼 转速。偏航运动是由加大（或减小）前后旋 翼的转速，减小（或加大）两侧翼的转速来 实现的。
G —重力加速度，G=[0 0 g]’
F f —直升机四个螺旋桨总升力
K
—平动拖拽力系数
dt
五、四旋翼飞行器平动动力学模型
其中
其中，F i —螺旋桨i产生的升力
R 为从地面坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵
五、四旋翼飞行器模型建立
平动动力学模型
转动动力学模型
五、四旋翼飞行器非线性运动方程
五、模型简化
( d U 3 K afy ) / I y


(K d Kl
U
4

K a fz
) / Iz
五、传递函数矩阵
选择后四行进行控制
z (U 1 K dtz y m g ) / m
( d U 2 K afx ) / I x
( d U 3 K afy ) / I y
数据融合
低成本固态陀螺的性能较差，能保证短时间内的测量精度 ，响应速度快，但长时间产生漂移
采用加速度计和数字罗盘联合输出值数据稳定，补偿陀螺 仪的漂移
六、加速度计、数字罗盘解算姿态 —观测向量
速度计可以测得重力加速度在载体坐标系X轴、Y轴 上的分量 A x 、A y ，根据几何关系得到
arcsin Ax / g