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四旋翼无人机控制系统设计与实现

四旋翼无人机是一种结构简单、操作灵活的垂直起降无人机。首先分析了四

旋翼无人机的基本运动原理，然后以APM飞控计算机为核心，结合GPS定位芯

片、陀螺仪、加速度计、航向计、无线数据电台等装置，进行了微型四旋翼无人

机的系统集成。分析了包括位置回路和姿态回路的双闭环控制结构的四旋翼无人

机的控制逻辑与控制规律。在进行传感器标定、参数整定等工作的基础上，对无

人机进行了综合调试。最终实现了无人机的稳定可靠飞行，具有良好的姿态控制、

轨迹控制能力，各项性能指标符合设计要求。

标签：四旋翼无人机；PID控制；飞行控制；姿态控制；轨迹控制

Abstract：Thefour-rotorunmannedaerialvehicle（UAV）isakindofvertical

take-offandlandingUAVwithsimplestructureandflexibleoperation.Inthispaper，

thebasicprincipleofmotionofthefour-rotorUAVisanalyzed，thentheAPMflight

controlcomputerisusedasthecore，andtheGPSpositioningchip，gyroscope，

accelerometer，headingmeter，wirelessdataradioandotherdevicesarecombined.

Thesystemintegrationofmicroquad-rotorunmannedaerialvehicle（UAV）is

carriedout.Thecontrollogicandcontrollawofthefour-rotorunmannedaerial

vehicle（UAV）withdoubleclosed-loopcontrolstructureincludingpositionloop

andattitudeloopareanalyzed.Onthebasisofsensorcalibrationandparameter

tuning，theUAViscomprehensivelydebugged.Finally，theUAVcanflystablyand

reliably，andithasgoodattitudecontrolandtrajectorycontrolability，andallthe

performanceindexesmeettherequirementsofdesign.

Keywords：fourrotorUAV；PIDcontrol；flightcontrol；attitudecontrol；

trajectorycontrol

1概述

四旋翼無人机是一种非共轴、多旋翼式无人机，改变四个旋翼产生的升力大

小就可以实现姿态稳定及飞行控制，其结构简单，体积较小，且飞行平稳、隐蔽

性好，可用于救援有哪些信誉好的足球投注网站、侦查监控、探查航拍等任务，具有重要的研究价值和广

阔的应用前景[1]。

四旋翼无人机的设计研制是集诸多学科于一体的综合科学技术问题，涵盖了

结构设计、动力与能源控制、导航通信、微机电、传感器等专业技术领域[2]。

四旋翼无人机是一个高度非线性，多变量的欠驱动系统，用四个输入量控制六个

自由度输出，因此它的输出量之间具有高度耦合的特性，任意一个旋翼转速的改

变将至少影响三个自由度的改变。这给四旋翼无人机的控制系统设计带来许多困

难[3，4]。

2控制系统设计实现

2.1飞行原理

四旋翼无人机采用刚性的十字形机架，机架末端各有一个独立的电机驱动系

统，图1中，一对电机顺时针转动，另一对电机逆时针转动，以平衡其对机身的

反扭矩，改变某一个旋翼的速度，飞行器会产生相应的运动。四旋翼无人机在空

间中具备的四种基本运动状态。

2.1.1垂向飞行

同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加，总升力增大，无人机便垂直

上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，则无人机则垂直下降，实现了沿z

轴的垂直运动。当旋翼产生的升力等于无人机的自重时，无人机便保持悬停状态