小型四軸飛行器控制系統(tǒng)的研究與設計

茹巖

摘要：小型四軸飛行器，其穩(wěn)定飛行和各個角度上靈活移動的特性，以主控制和遠程控制系列為核心，主控制源程序ZIN-7 V3.5（keil MDK）為設備，通過平衡狀態(tài)使系統(tǒng)能夠在無線電模塊NRF24L01和遠程控制設備之間建立連接?；谛⌒退妮S飛行器控制系統(tǒng)的程序代碼，四軸飛行器通過超聲波與無線接收和發(fā)送電路收集的數據相結合，來檢測飛行器的飛行數據。實踐結果表明，實驗設計的四軸飛行器控制系統(tǒng)可以很好地完成目標任務。

關鍵詞：四軸飛行器;控制系統(tǒng);研究

引言：

小型四軸飛行器，也被稱之為小型四旋翼飛行器。其作為一種多旋翼飛機，其飛行控制系統(tǒng)的設計與研究已引起了廣泛的關注，同時應用前景十分廣闊?；谄滹w行器特性，可以實現空間的自由運動，具有靈活、易于控制和高度靈活等特性，技術人員通過系統(tǒng)化地研究與設計，可應用至諸多方面。

1.小型四軸飛行器控制系統(tǒng)的設計

1.1小型四軸飛行器的硬件設計

電源模塊電源是控制電路中最重要，必不可少的部分。電源的穩(wěn)定性是小型四軸飛行器穩(wěn)定性的前提。同時，電源的穩(wěn)定性還為電動機驅動器和MEMS位置檢測傳感器提供電壓和電源保護。

1.2小型四軸主控制模塊

小型四軸飛行器的控制系統(tǒng)，其主要由主控制模塊協(xié)作外圍運行。主控制模塊基于微控制器及其外圍電路部分組成。而微控制器是四軸飛機主要控制的核心。通過接受來自發(fā)動機驅動模塊的遠程控制命令，它將對飛機的總體影響產生重大影響。微控制器在系統(tǒng)優(yōu)化中為整個飛行控制流程供電，并承擔著重大風險的控制任務。小型四軸飛行器核心的微控制器具有很高的工作效率。與此同時，內存模塊，也在小型四軸飛行器控制中扮演著不可忽視的角色。技術人員對由數據分析和調試傳感器收集的設置信號，進而開展一系列數據分析以及飛行融合處理，起到分析和記錄所存儲數據的作用。

外圍通信模塊帶有小型四軸傳感器的外部通信模塊是指主控制器和飛機之間相互作用的無線數據。電機驅動模塊電機驅動模塊主要使用外部電源作為能源，并且還包含一個可用來確定電機是否導通的電路。

2.小型四軸飛行器控制特性

四旋翼飛機的特點是垂直起降，控制靈活簡單。它已被廣泛用于軍事和民用領域，吸引了許多研究人員探索其控制策略和應用開發(fā)。但是，通用研究所定義的數學模型與實際模型之間存在差距，許多理論上證明有效的控制方法不能很好地應用于實際應用，導致理論研究與實際應用之間的分離。因此，創(chuàng)建與實際飛行狀態(tài)相對應的數學模型，并找到將理論應用于現實的方法尤為重要。本文提出了從實際研究中識別系統(tǒng)參數，然后將基于模型的設計思想，用于自主性的方法設計和實現飛行控制系統(tǒng)的思路，做了以下工作：首先，四軸動力學和運動學分析飛行器子模塊，以創(chuàng)建更精確的四軸飛機數學模型;其次，使用獲得的相對準確的模型設計反演控制器，證明其穩(wěn)定性然后結合實際情況使用這些屬性姿態(tài)控制回路中破損的PID應用于非線性系統(tǒng)，并在其上定位補償控制器還設置了切換飛行模式的標準，以確保飛機安全可靠該模型由符合雙回路PID控制器的四軸飛行器仿真所取代，該模型允許飛機在低速模式下正常飛行。模型通過分析響應曲線來確定飛機模型中的不確定參數，從而調整設計參數的預測表。第三，在MATLAB / Simulink仿真環(huán)境中執(zhí)行所設計的控制器，以檢查所設計的控制器系統(tǒng)的動態(tài)行為，并進行了仿真實驗。結果表明，在姿態(tài)實驗和軌跡跟蹤實驗中均可實現飛機的穩(wěn)定控制。通過建立模擬四軸實驗測試平臺，根據其所精確的模型設計將控制器應用于飛機。技術人員進行傾斜控制和位置跟蹤測試，測試結果表明，主調節(jié)器的反轉調節(jié)器和分數PID調節(jié)器是自主飛行控制系統(tǒng)的輔助設計。

3.自主飛行控制系統(tǒng)的實施和飛行測試驗證

基于小型四軸飛行器的特性，有必要進一步確定四軸飛行器模型的參數，以使其更接近實際飛行狀態(tài)模型。確定四軸飛行器模型參數的基本范疇。為了確定四軸飛行器的參數，可以基于數據測量與嚴控，以及精確的空間實驗來確定有效參數，但是系統(tǒng)中的其他不安全參數則不能通過一般手段來確定。這就需要開發(fā)一個新的想法。由于飛機自身特性的局限性以及對系統(tǒng)非線性多重耦合的要求，頻域識別方法難以實現，而頻域識別的結果并不是所需的非線性參數形式。通過檢查飛機的性能和現有測試條件的影響，提出了以下確定飛機參數的方法：首先無法通過基本測量精確確定的參數和模塊，然后是帶有兩個回路的簡單PID控制器四軸飛機設計，使用工程實踐確定飛機簡單飛行模式的PID控制器參數，然后將可用于實際飛機的控制器，應用于參數不確定的四軸飛機仿真模型。通過了解四軸飛機的飛行模式并分析系統(tǒng)對電流控制器的控制效果，估計并確定系統(tǒng)中的不確定參數，然后使用更新的參數來分析仿真實驗，從而觀察實驗的仿真結果。重復此過程幾次，直到模擬實驗可以更好地跟蹤實際飛行條件。此時，技術人員可以確定飛機相應模態(tài)的參數，使用精確參數的數學模型用于設計非線性控制。在這一點上，經過簡單的測試實驗，設計的控件只能應用于實際的飛機，這也是這項工作的意義。

結束語

本文主要基于小型四軸飛行器的系統(tǒng)預設定要求，對其控制系統(tǒng)以及軟件的設置和程序的編寫進行了簡略分析和研究，技術人員在今后的四軸飛行器研究探索方面，還仍待研究和改進。

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[4]? 付佳賀. 小型四軸飛行器自主飛行控制系統(tǒng)的設計與實現[D].電子科技大學，2015.

基金項目：基于變論域模糊PID的四軸飛行器控制系統(tǒng)設計與實現，項目編號：2020KY44011

（作者單位：柳州鐵道職業(yè)技術學院）