基于STM32的四旋翼飛行姿態串級控制的設計與實現

四旋翼飛行器與傳統的單槳直升機相比，其飛行原理簡單，結構緊湊，單位體積所提供的升力大，且可以扭矩自平衡而不需要反扭槳。四旋翼飛行器只通過改變螺旋槳的速度來實現各種動作，是一種六自由度的垂直起降機，非常適合在靜態和準靜態條件下飛行，近幾年在軍事和民用領域廣泛應用。然而四旋翼飛行器是個具有4個輸入量，6個輸出量的欠驅動系統，控制器的設計要求高。

姿態解算是姿態參考系統的關鍵技術，算法的優劣直接決定了解算效率和系統的精度。目前姿態描述的主要方式有：歐拉角、方向余弦、四元素法。歐拉角物理意義明確，但存在“奇點”。方向余弦計算沒有“奇點”，但三角函數運算量大，不適合實時運算。四元素法沒有“奇點”，而且運算為一般代數運算，運算量小，方法簡單，易于操作。采用四元素法進行姿態解算是理想的選擇。

1、四旋翼飛行器工作原理

四旋翼飛行器在結構布局上有十字形、X形和H形。本文主要討論X形布局，如圖1所示。4個電機分別安裝在對稱結構的X形支架的4個頂點，電機1和3逆時針旋轉，電機2和4順時針旋轉，當飛行器平衡飛行時，陀螺效應和空氣動力扭矩效應均被抵消。四旋翼飛行器在空間中有6個自由度（分別沿3個坐標軸作平移和旋轉動作），可通過調節4個電機的轉速來實現控制?；具\動狀態：垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動、前后運動、側向運動。

圖1 ?四旋翼飛行器示意圖

垂直運動：同相改變四個電機的輸出功率，使總的拉力改變，便實現飛行器沿z軸的垂直運動。當升力等于自重時，飛行器便保持懸停狀態。

俯仰運動和滾轉運動：電機1、4的轉速上升，電機2、3的轉速下降。產生的不平衡力矩使機身繞x軸旋轉，實現飛行器的俯仰運動。橫滾運動與俯仰運動的原理相同。

偏航運動：四旋翼偏航運動可以借助旋翼產生的反扭矩來實現。四個旋翼對角線上的兩個旋翼轉動方向相同，當兩條對角線上的電機轉速不完全相同時，不平衡的反扭矩引起四旋翼轉動，實現偏航運動。

前后運動和傾向運動：為實現水平面內運動，須在水平面內對飛行器施加一定的力。使飛行器做橫滾或俯仰。飛行器發生一定程度的傾斜，從而使旋翼拉力產生水平分量，實現飛行器的水平運動。