基于STM32的四旋翼飛行姿態(tài)串級(jí)控制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

四旋翼飛行器與傳統(tǒng)的單槳直升機(jī)相比，其飛行原理簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，單位體積所提供的升力大，且可以扭矩自平衡而不需要反扭槳。四旋翼飛行器只通過(guò)改變螺旋槳的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作，是一種六自由度的垂直起降機(jī)，非常適合在靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行，近幾年在軍事和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而四旋翼飛行器是個(gè)具有4個(gè)輸入量，6個(gè)輸出量的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制器的設(shè)計(jì)要求高。

姿態(tài)解算是姿態(tài)參考系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，算法的優(yōu)劣直接決定了解算效率和系統(tǒng)的精度。目前姿態(tài)描述的主要方式有：歐拉角、方向余弦、四元素法。歐拉角物理意義明確，但存在“奇點(diǎn)”。方向余弦計(jì)算沒(méi)有“奇點(diǎn)”，但三角函數(shù)運(yùn)算量大，不適合實(shí)時(shí)運(yùn)算。四元素法沒(méi)有“奇點(diǎn)”，而且運(yùn)算為一般代數(shù)運(yùn)算，運(yùn)算量小，方法簡(jiǎn)單，易于操作。采用四元素法進(jìn)行姿態(tài)解算是理想的選擇。

1、四旋翼飛行器工作原理

四旋翼飛行器在結(jié)構(gòu)布局上有十字形、X形和H形。本文主要討論X形布局，如圖1所示。4個(gè)電機(jī)分別安裝在對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的X形支架的4個(gè)頂點(diǎn)，電機(jī)1和3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī)2和4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。四旋翼飛行器在空間中有6個(gè)自由度（分別沿3個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作），可通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)、滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、偏航運(yùn)動(dòng)、前后運(yùn)動(dòng)、側(cè)向運(yùn)動(dòng)。

圖1 ?四旋翼飛行器示意圖

垂直運(yùn)動(dòng)：同相改變四個(gè)電機(jī)的輸出功率，使總的拉力改變，便實(shí)現(xiàn)飛行器沿z軸的垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)升力等于自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。

俯仰運(yùn)動(dòng)和滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：電機(jī)1、4的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī)2、3的轉(zhuǎn)速下降。產(chǎn)生的不平衡力矩使機(jī)身繞x軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)飛行器的俯仰運(yùn)動(dòng)。橫滾運(yùn)動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)的原理相同。

偏航運(yùn)動(dòng)：四旋翼偏航運(yùn)動(dòng)可以借助旋翼產(chǎn)生的反扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)。四個(gè)旋翼對(duì)角線(xiàn)上的兩個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，當(dāng)兩條對(duì)角線(xiàn)上的電機(jī)轉(zhuǎn)速不完全相同時(shí)，不平衡的反扭矩引起四旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)偏航運(yùn)動(dòng)。

前后運(yùn)動(dòng)和傾向運(yùn)動(dòng)：為實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，須在水平面內(nèi)對(duì)飛行器施加一定的力。使飛行器做橫滾或俯仰。飛行器發(fā)生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產(chǎn)生水平分量，實(shí)現(xiàn)飛行器的水平運(yùn)動(dòng)。