四旋翼飞行器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种四旋翼飞行器及其控制方法，其中四旋翼飞行器包括机体、电机和集成电路板；集成电路板固定在机体上；电机为四个无刷电机，分别固定于机体的四个角部上，电机的输出轴上均安装有螺旋桨叶片；螺旋桨叶对角旋转方向一致，相邻旋转方向不同；该集成电路板上集成飞行控制系统，该飞行控制系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器；该四旋翼飞行器还包括遥控器，通过无线模块与飞行控制系统通信连接。本发明专利技术在保障抗干扰能力和恢复平衡速度相同的情况下，成本更加低廉；控制算法对硬件要求较低，可直接在实际飞行环境中进行调试。

【技术实现步骤摘要】
四旋翼飞行器及其控制方法
本专利技术涉及飞行器领域，尤其涉及一种四旋翼飞行器及其控制方法。
技术介绍
随着科技不断发展，飞行器越来越普及。四旋翼飞行器属于飞行器的一种，四旋翼飞行器是通过改变旋翼的速度来实现各种动作，相比于其他无人飞行器而言，四旋翼无人飞行器由四组电机驱动，具有飞行平稳灵活等特点，无需旋回半径。适合执行定点侦察、摄像、航空测绘等任务。而现阶段，四旋翼飞行器的传统算法(串级PID)需要配套电子罗盘，并且在解决偏航角的问题上，易受电机磁效应的干扰，且复杂度较高。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于在保障抗干扰能力和恢复平衡速度相同的情况下，提供一种成本更加低廉，通过对硬件要求较低的控制算法可直接在实际飞行环境中进行调试的四旋翼飞行器及其控制方法。本专利技术为实现上述专利技术目的所采用的技术方案是：提供一种四旋翼飞行器，包括机体、电机和集成电路板；所述集成电路板固定在所述机体上；所述电机为四个无刷电机，分别固定于所述机体的四个角部上，所述电机的输出轴上均安装有螺旋桨叶片；所述螺旋桨叶对角旋转方向一致，相邻旋转方向不同；该集成电路板上集成飞行控制系统，该飞行控制系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器；所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度传感器、所述数字气压传感器通过IIC通信接口与所述主控制器连接；所述GPS定位模块通过第一串行通信接口与主控制器连接；所述无线模块通过第二串行通信接口与所述主控制器连接；所述电机通过电子调速器与主控制器连接；所述三轴陀螺仪采集四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息；所述三轴加速度传感器采集四旋翼飞行器的加速度数据信息；所述数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息；所述超声波模块用于低空时获得精确高度数据信息；所述GPS采集四旋翼飞行器的经纬度数据信息；该四旋翼飞行器还包括遥控器，通过所述无线模块与飞行控制系统通信连接。本专利技术所述的四旋翼飞行器中，所述机体呈中心对称结构，包括机壁和起落架，所述机壁为镂空结构；所述起落架固定于所述集成电路板的底部。本专利技术所述的四旋翼飞行器中，所述四个无刷电机呈X型排列。本专利技术所述的四旋翼飞行器中，所述起落架包括两个半圆形的平行缓冲杆和四个平行的横杆；其中两根横杆固定于所述两个半圆形的缓冲杆的中部，所述集成电路板固定于该两根横杆上，并位于所述机体中央，另两根横杆分别固定于所述两个缓冲杆的底端。本专利技术所述的四旋翼飞行器中，主控制器通过主控芯片MSP430F5438A实现；三轴陀螺仪和三轴加速度传感器通过集成的姿态控制器MPU6050实现。本专利技术还提供了一种基于权利要求1的四旋翼飞行器控制方法，飞行控制系统通过单双环PID并行控制算法对四旋翼飞行器进行姿态控制，该单双环PID并行控制算法在四旋翼飞行器的Z轴使用单环PID调节，X、Y轴上使用双环PID调节；所述双环PID调节具体将实际值与期望值对比，其差值作为PID的误差输入量，通过角速度PID控制调节飞行器的平衡，同时将经过调整的角速度、欧拉角继续与期望值对比，并将差值再次输入，实现对X、Y轴方向的控制；所述单环PID调节具体将实际值与期望值对比，其差值作为PID的误差输入量，经PID数据处理输出电机PWM波值，来调节Z轴角速度，同时，Z轴传感器继续测量实际角度值，与Z轴角速度期望值对比，再次输入差值，实现对Z轴方向的控制。本专利技术所述的控制方法中，所述双环PID调节具体包括内环调节和外环调节：所述内环调节包括对参数P、I、D三个值的调节；参数P的调节过程为：(1)赋予参数P一个较小的数值；(2)将当前的P值乘以数a(一般取3到6之间)，重复直至飞行器在倾斜时恢复能力达到预设值，得到新的P值，即P(n+1)＝a*P(n)；(3)将当前的P值除以数0.618(黄金比例，有利于接近最佳参数值)，直至飞行器的抖动频率低于设定阈值，得到新的P值，即P(n+1)＝P(n)/0.618；(4)不断将前两次取得的新P值带入P(n+1)＝[max{P(n),P(n-1)}-min{P(n),P(n-1)}]*0.618+min{P(n),p(n-1)}重复直至飞行器恰好不发生低频抖动，得到确定的P值；参数I的调节过程：I值用于消除静差，取0.01～0.1之间的数值；参数D的调节过程：(1)赋予D一个较小的数值；(2)将当前的D值乘以数a(一般取3到6之间)，重复直至飞行器在倾斜时恢复能力达到预设值，得到新的D值，即D(n+1)＝a*D(n)。(3)将当前的D值除以数0.618(黄金比例，有利于接近最佳参数值)，直至飞行器的抖动频率低于设定阈值，得到新的D值，即D(n+1)＝D(n)/0.618。(4)将前两次取得的新D值带入D(n+1)＝[max{D(n),D(n-1)}-min{D(n),D(n-1)}]*0.618+min{D(n),D(n-1)}，重复直至飞行器出现预期的高频抖动，得到D值。(5)将得到的最新D值乘以数b(一般取9/10到1/5，主要为了消除系统过调)，得到确定的D值，即D(n+1)＝D(n)*b。所述外环调节包括对P、D两个值的调节，外环P、D调节同内环P、D值调节，I值不添加(外环加I值易受机械干扰，从而导致系统不稳)。本专利技术所述的控制方法中，所述单环调节包括对I、D两个值的调节，I、D调节相同如下：(1)赋予D一个较小的数值；(2)将当前的D值乘以数a(一般取3到6之间)，重复直至飞行器在倾斜时恢复能力达到预设值，得到新的D值，即D(n+1)＝a*D(n)；(3)将当前的D值除以数0.618(黄金比例，有利于接近最佳参数值)，直至飞行器的抖动频率低于设定阈值，得到新的D值，即D(n+1)＝D(n)/0.618。(4)将前两次取得的新D值带入D(n+1)＝[max{D(n),D(n-1)}-min{D(n),D(n-1)}]*0.618+min{D(n),D(n-1)}，重复直至飞行器出现轻预计的高频抖动，得到D值。(5)将得到的最新D值乘以数b(一般取9/10到1/5，主要为了消除系统过调)，得到确定的D值，即D(n+1)＝D(n)*b。本专利技术所述的控制方法中，还包括步骤：在四旋翼飞行器的飞行高度超过10米时，数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息，数字气压传感器输出数据直接作为高度参数输入通过PID控制系统控制电机油门；在四旋翼飞行器的飞行高度为2米以下时，超声波模块获得精确高度数据信息，其输出数据直接作为高度参数输入通过PID控制系统控制电机油门；在四旋翼飞行器的飞行高度在2米至10米之间时，飞行时的高度数据以数字气压传感器的采集信息为主，超声波间断工作获取数据作为均值补充数字气压传感器的数据宏观误差。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的飞行控制系统集三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器为一体。控制算法基于集成电路板，采用单双环PID并行控制，由于减少使用Z轴角度作为姿态控制依据，从而减少了数字罗盘传感器来校正Z轴，从而精简程序。本专利技术在保障抗干扰能力和恢复平衡速度相同的情况下，成本更加低廉；控制算法对硬件要求较低，可直接在实际飞行环境中进行调试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四旋翼飞行器，其特征在于，包括机体、电机和集成电路板；所述集成电路板固定在所述机体上；所述电机为四个无刷电机，分别固定于所述机体的四个角部上，所述电机的输出轴上均安装有螺旋桨叶片；所述螺旋桨叶对角旋转方向一致，相邻旋转方向不同；该集成电路板上集成飞行控制系统，该飞行控制系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器；所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度传感器、所述数字气压传感器通过IIC通信接口与所述主控制器连接；所述GPS定位模块通过第一串行通信接口与主控制器连接；所述无线模块通过第二串行通信接口与所述主控制器连接；所述电机通过电子调速器与主控制器连接；所述三轴陀螺仪采集四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息；所述三轴加速度传感器采集四旋翼飞行器的加速度数据信息；所述数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息；所述超声波模块用于低空时获得精确高度数据信息；所述GPS采集四旋翼飞行器的经纬度数据信息；该四旋翼飞行器还包括遥控器，通过所述无线模块与飞行控制系统通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种四旋翼飞行器，其特征在于，包括机体、电机和集成电路板；所述集成电路板固定在所述机体上；所述电机为四个无刷电机，分别固定于所述机体的四个角部上，所述电机的输出轴上均安装有螺旋桨叶片；所述螺旋桨叶对角旋转方向一致，相邻旋转方向不同；该集成电路板上集成飞行控制系统，该飞行控制系统包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器；所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度传感器、所述数字气压传感器通过IIC通信接口与所述主控制器连接；所述GPS定位模块通过第一串行通信接口与主控制器连接；所述无线模块通过第二串行通信接口与所述主控制器连接；所述电机通过电子调速器与主控制器连接；所述三轴陀螺仪采集四旋翼飞行器的姿态和速度数据信息；所述三轴加速度传感器采集四旋翼飞行器的加速度数据信息；所述数字气压传感器采集四旋翼飞行器的实时飞行高度数据信息；所述超声波模块用于低空时获得精确高度数据信息；所述GPS采集四旋翼飞行器的经纬度数据信息；该四旋翼飞行器还包括遥控器，通过所述无线模块与飞行控制系统通信连接。2.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述机体呈中心对称结构，包括机壁和起落架，所述机壁为镂空结构；所述起落架固定于所述集成电路板的底部。3.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述四个无刷电机呈X型排列。4.根据权利要求2所述的四旋翼飞行器，其特征在于，所述起落架包括两个半圆形的平行缓冲杆和四个平行的横杆；其中两根横杆固定于所述两个半圆形的缓冲杆的中部，所述集成电路板固定于该两根横杆上，并位于所述机体中央，另两根横杆分别固定于所述两个缓冲杆的底端。5.根据权利要求1所述的四旋翼飞行器，其特征在于，主控制器通过主控芯片MSP430F5438A实现；三轴陀螺仪和三轴加速度传感器通过集成的姿态控制器MPU6050实现。6.一种基于权利要求1的四旋翼飞行器控制方法，其特征在于,飞行控制系统通过单双环PID并行控制算法对四旋翼飞行器进行姿态控制，该单双环PID并行控制算法在四旋翼飞行器的Z轴使用单环PID调节，X、Y轴上使用双环PID调节；所述双环PID调节具体将实际值与期望值对比，其差值作为PID的误差输入量，通过角速度PID控制调节飞行器的平衡，同时将经过调整的角速度、欧拉角继续与期望值对比，并将差值再次输入，实现对X、Y轴方向的控制；所述单环PID调节具体将实际值与期望值对比，其差值作为PID的误差输入量，经PID数据处理输出电机PWM波值，来调节Z轴角速度，同时，Z轴传感器继续测量实际角度值，与Z轴角速度期望值对比，再次输入差值，实现对Z轴方向的控制。7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述双环PID调节具体包括内环调节和外环调节：所述内环调节包括对参数P、I、D三个值的调节；参数P的调节过程为：(1)赋予参数P一个较小的数值；(2)将当前的P值乘以数a(一般取3到6之间)，重复直至飞行器在倾斜时恢复能力达到预设值，得到新的P值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：章磊，李威，徐德利，
申请(专利权)人：湖北理工学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42