[发明专利]四旋翼飞行器姿态修正控制系统及方法

说明书

本发明公开了四旋翼飞行器姿态修正控制系统及方法，控制系统包括飞控主控制器、飞行姿态采集模块、驱动模块、无线通讯模块、GPS模块、电源管理模块和摄像模块；飞行姿态采集模块、驱动模块、无线通讯模块、GPS模块、电源管理模块和摄像模块与所述飞控主控制器连接。无人机姿态控制系统包括传感器数据解算处理系统、电机转速控制系统和无线数据通讯系统。本发明对四旋翼飞行器的姿态进行串级PID闭环控制进而对控制电机转速的PWM占空比进行调节，同时四旋翼飞行器将从GPS模块所获得的位置信息以及当前飞行器的姿态数据通过无线收发模块反馈给遥控端以便操作者实时查看飞行器当前飞行状态以便于飞行状态异常时及时进行降机处理将损失降到最低。

技术领域

本发明涉及一种四旋翼飞行器飞行姿态的综合控制系统，特别是在四旋翼飞行器在进行姿态数据的采集与处理后将这些数据综合反馈给四旋翼四个电机转速调整的控制方法。

背景技术

在四旋翼飞行器技术当中，飞行控制系统的设计一直是控制领域众多研究者关心的问题之一。四旋翼飞行器的位置变化需要通过姿态调整得到，且姿态与位置存在强烈的耦合关系，要进行四旋翼飞行器位置和速度的控制设计，首要要提高姿态控制的精度，由此可见姿态控制是四旋翼飞行器系统设计的核心部分，决定着四旋翼飞行器飞行的状态和飞行的性能。目前最常用的控制系统都是基于PID、反演控制以及滑膜控制三种算法为基础的控制系统，传统PID控制可以对四旋翼飞行器悬停时的姿态进行稳定控制，但是在外界具有扰动时却不能很好的实现飞行器的抗扰动控制，鲁棒性差，反演控制方法能够比较稳定的实现四旋翼无人机的姿态跟随控制，同时也具备一定的抗干扰能力，但是悬停效果较差。滑膜控制法能够很稳定的控制四旋翼无人机的姿态，但是由于在飞行过程中控制结构会不断的发生变，这种变化会带来高频扰动，反而使控制效果变得很差。当前的闭环自动控制技术都是基于反馈的概念以减少不确定性。PID控制器的优势在于，控制时不需要被控对象的准确模型，且易于理解与掌握，使用过程中只要调试好对应的参数，便可以很好的应用于被控对象。

该发明采用串级PID作为四旋翼飞行器电机转速控制主要闭环反馈方法，该方法是在传统经典PID控制基础上演变而来，在综合传统PID优势的基础上对抗干扰能力进行了提升，使四旋翼无人机的抗风性能指标得到一定程度的提高，解决现阶段小型无人机对飞行环境要求相对苛刻的问题，四旋翼飞行器姿态由四个电机输入，电机转速的改变可以带动姿态的变化，有六个自由度的输出，控制过程涉及位置、姿态、速度、横滚角、俯仰角以及偏航角，属于多变量欠驱动的系统。另外电机的升力和转速属于非线性关系，系统还具有较强的耦合性，一个电机转速的变化会引起三个输出自由度的变化。为了使得飞行器按照预想飞行姿态进行飞行，采用了六轴传感器ICM20602来对飞行器的加速度和角速度进行数据采集，采用磁力计来对飞行器的磁场数据进行采集，然后再对四旋翼飞行器的姿态数据进行滤波处理，再对姿态数据进行解算，最终再经过串级PID控制算法来对四旋翼飞行器的电机转速进行控制最终达到控制四旋翼飞行器姿态的目的。

发明内容

本发明的目的是为了解决四旋翼飞行器在飞行姿态控制过程中飞行姿态不稳容易受到外界外力的干扰的问题。在进行飞行器的四元数转欧拉角后对飞行器进行回环控制时，虽然可以保持静止状态下四选飞行器的稳定飞行，但是再给一个外力的作用后，飞行器很难再回到平衡位置，本发明提供一种可以继承原有传统控制硬件平台、实用性强、控制运算精简、控制效果显著的四旋翼飞行器串级PID控制系统。本发明可以在四旋翼飞行器在受到外力作用时，及时的将飞行器的姿态修正回来，保证了飞行器的正常稳定飞行。本发明除了可以应用到大型机械设备的检修上之外，在高空航拍上同样有着非常实用的特性。

第一方面，本发明提供了四旋翼飞行器姿态修正控制系统，所述控制系统包括飞控主控制器、飞行姿态采集模块、驱动模块、无线通讯模块、GPS模块、电源管理模块和摄像模块，所述飞行姿态采集模块、驱动模块、无线通讯模块、GPS模块、电源管理模块和摄像模块与所述飞控主控制器连接。

所述飞行姿态采集模块用于实时采集四旋翼飞行器的实时姿态数据并反馈给主控制器，用于实时解算出四旋翼飞行器的飞行姿态。