茹巖

摘要：小型四軸飛行器，其穩(wěn)定飛行和各個(gè)角度上靈活移動的特性，以主控制和遠(yuǎn)程控制系列為核心，主控制源程序ZIN-7 V3.5（keil MDK）為設(shè)備，通過平衡狀態(tài)使系統(tǒng)能夠在無線電模塊NRF24L01和遠(yuǎn)程控制設(shè)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(shù)據(jù)相結(jié)合，來檢測飛行器的飛行數(shù)據(jù)。實(shí)踐結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的四軸飛行器控制系統(tǒng)可以很好地完成目標(biāo)任務(wù)。

關(guān)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(jī)，其飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究已引起了廣泛的關(guān)注，同時(shí)應(yīng)用前景十分廣闊。基于其飛行器特性，可以實(shí)現(xiàn)空間的自由運(yùn)動，具有靈活、易于控制和高度靈活等特性，技術(shù)人員通過系統(tǒng)化地研究與設(shè)計(jì)，可應(yīng)用至諸多方面。

1.小型四軸飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1小型四軸飛行器的硬件設(shè)計(jì)

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(shí)，電源的穩(wěn)定性還為電動機(jī)驅(qū)動器和MEMS位置檢測傳感器提供電壓和電源保護(hù)。

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(yùn)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(jī)主要控制的核心。通過接受來自發(fā)動機(jī)驅(qū)動模塊的遠(yuǎn)程控制命令，它將對飛機(jī)的總體影響產(chǎn)生重大影響。微控制器在系統(tǒng)優(yōu)化中為整個(gè)飛行控制流程供電，并承擔(dān)著重大風(fēng)險(xiǎn)的控制任務(wù)。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(shí)，內(nèi)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(shù)人員對由數(shù)據(jù)分析和調(diào)試傳感器收集的設(shè)置信號，進(jìn)而開展一系列數(shù)據(jù)分析以及飛行融合處理，起到分析和記錄所存儲數(shù)據(jù)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(jī)之間相互作用的無線數(shù)據(jù)。電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動模塊主要使用外部電源作為能源，并且還包含一個(gè)可用來確定電機(jī)是否導(dǎo)通的電路。

2.小型四軸飛行器控制特性

四旋翼飛機(jī)的特點(diǎn)是垂直起降，控制靈活簡單。它已被廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域，吸引了許多研究人員探索其控制策略和應(yīng)用開發(fā)。但是，通用研究所定義的數(shù)學(xué)模型與實(shí)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(yīng)用于實(shí)際應(yīng)用，導(dǎo)致理論研究與實(shí)際應(yīng)用之間的分離。因此，創(chuàng)建與實(shí)際飛行狀態(tài)相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并找到將理論應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)的方法尤為重要。本文提出了從實(shí)際研究中識別系統(tǒng)參數(shù)，然后將基于模型的設(shè)計(jì)思想，用于自主性的方法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)飛行控制系統(tǒng)的思路，做了以下工作：首先，四軸動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析飛行器子模塊，以創(chuàng)建更精確的四軸飛機(jī)數(shù)學(xué)模型;其次，使用獲得的相對準(zhǔn)確的模型設(shè)計(jì)反演控制器，證明其穩(wěn)定性然后結(jié)合實(shí)際情況使用這些屬性姿態(tài)控制回路中破損的PID應(yīng)用于非線性系統(tǒng)，并在其上定位補(bǔ)償控制器還設(shè)置了切換飛行模式的標(biāo)準(zhǔn)，以確保飛機(jī)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(jī)在低速模式下正常飛行。模型通過分析響應(yīng)曲線來確定飛機(jī)模型中的不確定參數(shù)，從而調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)的預(yù)測表。第三，在MATLAB / Simulink仿真環(huán)境中執(zhí)行所設(shè)計(jì)的控制器，以檢查所設(shè)計(jì)的控制器系統(tǒng)的動態(tài)行為，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，在姿態(tài)實(shí)驗(yàn)和軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)中均可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的穩(wěn)定控制。通過建立模擬四軸實(shí)驗(yàn)測試平臺，根據(jù)其所精確的模型設(shè)計(jì)將控制器應(yīng)用于飛機(jī)。技術(shù)人員進(jìn)行傾斜控制和位置跟蹤測試，測試結(jié)果表明，主調(diào)節(jié)器的反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器和分?jǐn)?shù)PID調(diào)節(jié)器是自主飛行控制系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)。

3.自主飛行控制系統(tǒng)的實(shí)施和飛行測試驗(yàn)證

基于小型四軸飛行器的特性，有必要進(jìn)一步確定四軸飛行器模型的參數(shù)，以使其更接近實(shí)際飛行狀態(tài)模型。確定四軸飛行器模型參數(shù)的基本范疇。為了確定四軸飛行器的參數(shù)，可以基于數(shù)據(jù)測量與嚴(yán)控，以及精確的空間實(shí)驗(yàn)來確定有效參數(shù)，但是系統(tǒng)中的其他不安全參數(shù)則不能通過一般手段來確定。這就需要開發(fā)一個(gè)新的想法。由于飛機(jī)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(shí)現(xiàn)，而頻域識別的結(jié)果并不是所需的非線性參數(shù)形式。通過檢查飛機(jī)的性能和現(xiàn)有測試條件的影響，提出了以下確定飛機(jī)參數(shù)的方法：首先無法通過基本測量精確確定的參數(shù)和模塊，然后是帶有兩個(gè)回路的簡單PID控制器四軸飛機(jī)設(shè)計(jì)，使用工程實(shí)踐確定飛機(jī)簡單飛行模式的PID控制器參數(shù)，然后將可用于實(shí)際飛機(jī)的控制器，應(yīng)用于參數(shù)不確定的四軸飛機(jī)仿真模型。通過了解四軸飛機(jī)的飛行模式并分析系統(tǒng)對電流控制器的控制效果，估計(jì)并確定系統(tǒng)中的不確定參數(shù)，然后使用更新的參數(shù)來分析仿真實(shí)驗(yàn)，從而觀察實(shí)驗(yàn)的仿真結(jié)果。重復(fù)此過程幾次，直到模擬實(shí)驗(yàn)可以更好地跟蹤實(shí)際飛行條件。此時(shí)，技術(shù)人員可以確定飛機(jī)相應(yīng)模態(tài)的參數(shù)，使用精確參數(shù)的數(shù)學(xué)模型用于設(shè)計(jì)非線性控制。在這一點(diǎn)上，經(jīng)過簡單的測試實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的控件只能應(yīng)用于實(shí)際的飛機(jī)，這也是這項(xiàng)工作的意義。

結(jié)束語

本文主要基于小型四軸飛行器的系統(tǒng)預(yù)設(shè)定要求，對其控制系統(tǒng)以及軟件的設(shè)置和程序的編寫進(jìn)行了簡略分析和研究，技術(shù)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(jìn)。

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基金項(xiàng)目：基于變論域模糊PID的四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目編號：2020KY44011

（作者單位：柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院）