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1、四旋翼飛行器的懸停控制研究　　摘要旋翼式飛行器是近些年來(lái)無(wú)人機(jī)發(fā)展的重要方向，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。本文介紹一種四旋翼飛行器定點(diǎn)懸停的控制策略，氣壓計(jì)與電子航向系統(tǒng)（AHRS）為獲取關(guān)鍵參數(shù)的傳感器，應(yīng)用低通濾波與卡爾曼濾波。在保證控制精度的同時(shí)，筆者盡量使算法簡(jiǎn)單，不過(guò)高的依賴微處理器的運(yùn)算速度。之后探討了數(shù)據(jù)處理方面存在的??題，希望可以對(duì)懸?？刂频难芯控暙I(xiàn)微薄之力?！　　娟P(guān)鍵詞】四旋翼定點(diǎn)懸停氣壓AHRS低通濾波卡爾曼濾波　　四旋翼飛行器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的多旋翼形式的飛行器，其本身具有

2、多重優(yōu)勢(shì)特征，主要表現(xiàn)為機(jī)體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、陀螺效應(yīng)小等多種優(yōu)勢(shì)。最重要的是，四旋翼飛行器可以做到垂直起降，使得起飛與降落的成本大大減小。因此，這種飛行器廣泛的應(yīng)用與空中拍攝、監(jiān)視、偵查等方面。然而，四旋翼飛行器本身也存在一定的缺陷，飛行器本身在飛行的過(guò)程中容易受到噪聲甚至是氣流等多方面干擾，使控制變得困難?！　”娝苤?，為了使四旋翼飛行器相比與固定翼飛行器發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)，懸?？刂剖欠浅１匾模F(xiàn)階段大多數(shù)的懸?？刂品桨富诿裼萌蚨ㄎ幌到y(tǒng)（GlobalPositionSystem）或計(jì)算

3、機(jī)視覺(jué)控制。但GPS對(duì)環(huán)境要求較大，在某些GPS信號(hào)不覆蓋的地方不能使用，而計(jì)算機(jī)視覺(jué)控制對(duì)微處理器的功能要求比較高。但氣壓計(jì)的使用相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要利用簡(jiǎn)單地機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免氣流造成的大噪聲的數(shù)據(jù)，非常適合用于懸?？刂啤　”疚膶⒆⒅貙?duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理，從理論推導(dǎo)出發(fā)，并聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用，將低通濾波與卡爾曼濾波相結(jié)合，并通過(guò)實(shí)體飛行器測(cè)試算法，提出并證明一種比較穩(wěn)定的四旋翼懸停控制方案?！　?四旋翼飛行器懸停的意義與工作原理　　四旋翼飛行器的懸?？刂埔恢笔菄?guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)課題。懸停，即四旋翼飛

4、行器在某一時(shí)刻相對(duì)于地面保持一種靜止的空間狀態(tài)?！　榱朔奖銛⑹觯x機(jī)體坐標(biāo)系OXYZ：以飛行器重心為原點(diǎn)，縱軸為X軸，方向同機(jī)頭方向；在飛行器對(duì)稱面內(nèi)且垂直于X軸為Z軸，方向向下；與X，Z軸垂直且向右為正方向?yàn)閅軸。根據(jù)右手定則由飛機(jī)重心為原點(diǎn)定義地面慣性坐標(biāo)系OgXgYgZg。OX軸相對(duì)于OgXgYg平面的變化，即俯仰角（pitch）；OX軸在OgXgYg平面的投影與OgXg之間的夾角，即偏航角（yaw）；以及飛行器對(duì)稱面繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，即橫滾角（roll）。　　由于四軸飛行器在空間中有6

5、個(gè)自由度，即在地面慣性坐標(biāo)系中，沿三個(gè)坐標(biāo)軸做平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)四軸飛行器的運(yùn)動(dòng)分析，可以得出飛機(jī)的姿態(tài)變化可以分解成橫滾角，俯仰角，航向角的變化，而OgZg軸的平移運(yùn)動(dòng)可以看做高度的變化（altitude），如圖1所示。　　可以看出四旋翼飛行器的運(yùn)行方式主要包括四個(gè)方面的內(nèi)容，有垂直起降和懸停（即高度的變化）、偏航運(yùn)行、俯仰運(yùn)動(dòng)以及滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)四個(gè)，其中，基本的運(yùn)動(dòng)方式就是懸停運(yùn)動(dòng)以及垂直起降運(yùn)動(dòng)，但飛行器在空中飛行時(shí)會(huì)受到氣流、氣壓等多種噪聲干擾，飛行器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。所以控制控制四旋

6、翼飛行器的懸停，即控制橫滾角，俯仰角，與航向角，以及高度?！　?四旋翼飛行器控制系統(tǒng)　　經(jīng)過(guò)反復(fù)多種方案的反復(fù)比較分析，本文決定采用電子航向系統(tǒng)，高精度氣壓計(jì)作為數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)I2C+SPI方式向主控芯片傳輸數(shù)據(jù)，并對(duì)氣壓計(jì)做隔離處理，降低氣流對(duì)氣壓計(jì)的干擾。為了方便采集飛行時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用串口方式+藍(lán)牙方式，使飛行器與上位機(jī)進(jìn)行通訊。　　2.1控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)　　通過(guò)AHRS（attitudeheadingreferencesystem）可以獲得實(shí)時(shí)的歐拉角，通過(guò)氣壓計(jì)可以獲得實(shí)時(shí)高度

7、數(shù)據(jù)，運(yùn)用適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鳎∕icrocontrollerUnit）快速的控制，使得四旋翼飛行器可以快速的對(duì)誤差進(jìn)行反應(yīng)。因此，本文描述的四旋翼飛行器呈現(xiàn)如下結(jié)構(gòu)?！　?.2控制系統(tǒng)懸停的目標(biāo)介紹　　由于篇幅有限，本文只研究在手動(dòng)飛行中的懸停過(guò)程。當(dāng)飛行器在飛行時(shí)，當(dāng)橫滾角（pitch），俯仰角（roll）比較穩(wěn)定時(shí)，對(duì)飛行器發(fā)射懸停信號(hào)。此時(shí)飛行器將進(jìn)行自穩(wěn)控制，并記錄飛行器穩(wěn)定后的姿態(tài)、航向、高度數(shù)據(jù)。在可以修正的范圍內(nèi)進(jìn)行修正。由于文獻(xiàn)（1）將已經(jīng)將姿態(tài)的估計(jì)與控制做了詳細(xì)的描述，使飛行器姿

8、態(tài)很好的保持穩(wěn)定，本文將不再描述姿態(tài)的控制，而將重點(diǎn)放在高度數(shù)據(jù)的處理與高度控制上，如圖2所示?！　?基于AHRS與氣壓計(jì)的懸停控制系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　　3.1獲得理想的控制量　　3.1.1低通濾波　　低通濾波分為很多種，對(duì)于從模擬信號(hào)發(fā)展而來(lái)的最簡(jiǎn)單的低通濾波，分為一階阻容濾波，和二階阻容濾波，阻容濾波在頻域上有阻擋高頻信號(hào)的特點(diǎn)，在相位上存在滯后，阻容濾波也成為滯后濾波。而二階低通濾波較一階低通濾波　　理想一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為　　Z變換：　　式中T為采樣周期　　Z反變換得到差分方程