四轴飞翔器是微型飞翔器的其间一种，相对于固定翼飞翔器，它的方向操控活络、抗搅扰才能强、飞翔安稳，能够带着必定的负载和有悬停功用，因而能够很好地进行空中拍照、监督、侦办等功用，在军事和民用上具有广泛的运用远景。
四轴飞翔器关键技能在于操控战略。因为智能操控算法在运转杂乱的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器核算才能受限，难以到达飞翔操控实时性的要求;而PID操控简略，易于完成，且技能老练，因而现在干流的操控战略首要是环绕传统的PID操控打开。
1 四轴飞翔器的结构与根本飞翔原理
四轴飞翔器结构首要由主控板和呈十字穿插结构的4个电子调速器、电机、旋浆组成，电机由电子调速器操控，主控板首要担任解算当时飞翔姿势、操控电调等功用。
以十字飞翔形式为例，l号旋翼为头，1、3号旋翼逆时针旋转，2、4号旋翼顺时针旋转，如图1所示。
图1 四轴飞翔器结构图
参照飞翔状况表1改动电机转速，因为四个电机转速不同，使其与水平面歪斜必定视点，如图l所示。四个电机发生的合力分解为向上的升力与前向分力。当重力与升力持平时，前向分力驱动四轴飞翔器向歪斜视点的方向水平飞翔。空间三轴视点欧拉角分为仰俯角、横滚角、航向角：歪斜角是仰俯角时，向前、向后飞翔;歪斜角是横滚角时，向左、向右飞翔;而歪斜航向角时，向左、右旋转运动，左(右)旋转是因为顺时针两电机发生的反扭矩之和与逆时针两电机发生的反扭矩之和不等，即不能彼此抵消，机身便在反扭矩作用下绕z轴自旋转。
2 姿势解算
四轴飞翔器运用姿势解算核算出空间三轴欧拉角。结构结构如图2所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，而磁力传感器采样得到三轴地磁场值，将陀螺仪、加速度传感器、磁力传感器采样后的数据进行标定、滤波、校对后得到三轴欧拉视点，其间陀螺仪和加速度传感器选用MPU6050芯片，磁力传感器选用HMC5883L芯片，选用IIC总线与主控板通讯。
图2 姿势解算结构图
因为传感器存在器材差错，因而在运用前需求标定。陀螺仪在停止时，角速度为0;但实践状况因为器材差错并不为0，因而可在停止时采样500次数据，再求均匀，得出偏移量，标定陀螺仪数据;加速度传感器可根据在停止时，三轴重力加速度平方和的开方为重力加速度的标定方程，运用最小二乘法求出标定偏移值和差错值进行标定。而磁力传感器校对，可将器材静置于桌面旋转一周找出最小值和最大值，通过电子罗盘校对核算公式核算出标定偏移值和差错值。
因为陀螺仪长期收集角速度会有飘移，因而需求运用加速度传感器的值与磁力传感器的值进行校对。将加速度的丈量矢量和磁场的丈量矢量与参阅矢量做叉积后相加
式(1)中：ex、ey、ez为两叉积之和，ax、ay、az为加速度的丈量矢量，mx、my、mz为磁场的丈量矢量，axref、ayref、azref为加速度的参阅矢量，mxref、myref、mzref为磁场的参阅矢量，参阅矢量是通过实时四元数值与本次丈量值核算出来。
再将叉积批改角速度漂移值：
式(2)中ωx(t)、ωy(t)、ωz(t)为角速度，kpex(t)为份额项批改，
为积分批改项。
将校对后的角速度通过二阶毕卡算法转化为四元数，公式如式(3)。
3 高度核算
高度核算是通过气压传感器收集的大气压值核算出来，将气压传感器收集值进行校对后，在通过温度二阶补偿，得到精确的大气压值，最终通过气压转换为高度公式
式(6)中Altitude为核算出来的实践高度，CurrentPressure为当时气压值，StartPressure为起飞之前气压值。气压传感器选用MS5611芯片，其间集成了温度传感器和气压传感器，选用I%&&&&&%总线与主控板通讯。
4 PID操控
4.1 双闭环PID操控
当四轴飞翔器正常飞翔时，突遇外力(风等)或磁场搅扰，使加速度传感器或磁力传感器收集数据失真，形成姿势解算出来的欧拉角过错，只用视点单环状况下，使体系很难安稳运转，因而能够参加角速度作为内环，角速度由陀螺仪收集数据输出，收集值一般不存在受外界影响状况，抗搅扰才能强，而且角速度改动活络，当受外界搅扰时，回复敏捷;同理，高度环中气压传感器相同也会受到外界搅扰，引进z轴加速度环可有用避免外界搅扰形成的影响，增强了体系的鲁棒性。
四轴飞翔器双闭环PID操控，如图3、图4所示。视点作为外环，角速度作为内环，进行姿势PID操控;当需求定高时，高度作为外环，z轴加速度作为内环，进行高度PID操控。其间，PID输出为油门值，油门给定电子调速器值，电子调速器操控电机使空间三轴欧拉角和高度改动。
图3姿势PID操控整体流程图
图4高度PID操控整体流程图
PID操控算法选用方位式数字PID操控：
式(7)中u(t)为PID输出值，e(t)为希望值与实践值之差，
为积重量，
为微重量，kp，、ki、kd。为份额、积分、微分系数。
在将积重量，微重量离散化得到PID核算公式
式(8)中T为更新时间。
根据公式(8)，姿势PID操控算法
式(9)为视点环PID核算公式，(10)为角速度环PID核算公式。AngelPIDOut(t)为视点环PID输出，AngelRatePIDOut(t)为角速度环PID输出，e(t)=希望视点一实践视点，e'(t)=AngelPIDOut(t) – 实践角速度。
同理高度PID操控算法：
式(11)为高度环PID核算公式，公式(12)为加速度环PID核算公式，AltitudePIDOut(t)为高度环PID输出，AcceleratePIDOut(t)为加速度环PID输出。e(t)=希望高度一实践高度，e'(t)=AltitudePIDOut(t) – (z轴加速度 – 重力加速度值)。
4.2 油门输出核算
PID输出值先通过限幅处理，再输出给油门，避免某些时间输出油门值过大，形成过冲，使体系难以安稳，公式如下
AngelOut=AngelPIDOut(t)(约束规模 – 100到100) (13)
AltitudeOut=AcceleratePIDOut(t)(约束规模 – 10到10) (14)
式中AngelOut。为欧拉角输出值，AltitudeOut为高度输出值。
最终通过十字飞翔形式油门输出公式，核算出4个电机输出油门
式(15)中throttlelOut到throttle4Out为油门1到油门4输出值，根据公式(13)输出的AngelOut分为三轴视点：pitchOut为仰俯角输出值，rollOut为横滚角输出值，yawOut为航向角输出值。
4.3 油门补偿
以十字飞翔形式为例，PID操控条件为线性环境，而给出的油门值与转速的联系为非线性，且两对向电机再同一油门下转速存在差异。运用光电传感器测出不同油门量对应的转速，通过matlab软件制作出该曲线，其间一对向电机油门与转速的联系如图5所示，两电机在相同油门下转速存在差异且不平行，因而将油门曲线分段，并通过核算公式
补偿油门值 =α(实践油门值 – β) (16)
进行油门补偿，式(16)中α、β为补偿偏移系数，得出曲线如图5(b)所示。
图5 油门 – 转速曲线图
5 测验
本次测验姿势解算更新周期T ≈ 4 mS，PID操控更新周期T ≈ 10 ms，希望值为水平0度。将四轴飞翔器操控仰俯角的一对电机固定住，另一对边能自在旋转，即能改动横滚视点，如图6所示。将横滚角歪斜到 – 70°，遥控器油门敏捷推到1400，平衡后如图6所示。
图6 姿势PID操控测验
将四轴飞翔器收集的欧拉角值通过无线模块NRF24L01发送到PC机上，接纳的数据显现到上位机进行剖析。上位机显现横滚角波形如图7所示，波形图横坐标单位为10 ms，纵坐标单位为度。
图 7双闭环PID操控横滚角波形图
由图7可知，横滚角波形通过一大波一小波震动后近似归为希望值零点，且超调量较小，体系很快进入安稳状况。
其他欧拉角测验成果相似。
在参加双闭环高度PID操控，四轴飞翔器在室外飞翔作用如图8所示，能够看出飞翔器飞翔安稳，到达规划要求。
图8 室外飞翔测验
6 定论
首要研讨了根据四轴飞翔器的双闭环PID操控算法。在姿势PID操控和高度PID操控中别离增加了内环角速度环和加速度环，不只抗搅扰才能强，而且回复敏捷，增强了体系的鲁棒性。
