四旋翼飞行器的控制规律及算法实现
四轴 原理
四轴原理
四轴原理即为四旋翼飞行器的工作原理。
四旋翼飞行器由四个相对对称的旋翼组成，每个旋翼都由一个电动机驱动，并通过控制电路进行精确的调节。
四轴飞行器的飞行原理是通过对四个旋翼的转速进行精确控制，实现悬停、上升、下降、前进、后退、向左、向右平移以及旋转等多种飞行动作。
具体原理如下：
1. 升力平衡原理：四个旋翼产生的升力将飞行器维持在空中，飞行器的重力与升力平衡，实现悬停状态。
2. 空气动力学平衡原理：四个旋翼的转速可以通过电机转速控制器进行精确调节，进而调节各个旋翼产生的升力大小，实现空气动力学平衡。
3. 控制算法原理：通过搭载的传感器（如加速度计、陀螺仪、磁力计等）实时监测飞行器的姿态信息，将监测到的数据传输给飞行控制器。
飞行控制器根据姿态信息计算出相应的控制指令，通过电调调节四个旋翼的转速，控制飞行器的姿态。
如需向前飞行，则增加后面两个旋翼的转速，减小前面两个旋翼的转速，使飞行器倾斜向前。
类似地，对其他方向的飞行也是通过对相应旋翼转速的调节实现的。
4. 电源与电路原理：四轴飞行器通过电池为电动机提供能量，电路控制系统将飞行器的控制信号转化为电流和电压输出供电给电动机。
通过对四个旋翼的转速进行精确控制，在合适的气动力学平衡和姿态控制下，四轴飞行器能够实现精确悬停、稳定飞行及各种飞行动作，具有广泛的应用前景。
四旋翼的平衡及方向的控制原理
来源于网络。
今天我们来讨论一下如何调整四轴的4个电机的转速，来使四轴朝4个方向运动起来的。
多旋翼可能有很多轴，或者对称或者不对称。
我们以四轴，X 形状为例。
为方便说明，我们把电机进行编号，右下为9号，右上为10号，左下为11，左上为3号电机。
1.飞行器保持悬停，4个电机的转速保持一致，来使飞行器保持水平。
四个电机的转速=悬停油门2.当我们希望飞行器向右飞的时候，我们设定在第一种情况的基础上，增加左边两个电机（3,11）的转速，减小右边两个电机（9,10）的转速。
9号电机=悬停油门- 右倾的量10号电机= 悬停油门- 右倾的量11号电机= 悬停油门+ 右倾的量3号电机= 悬停油门+ 右倾的量3.当我们希望飞行器向左飞的时候，上面的公式依然成立，只不过右倾的量是负数了。
4.当我们希望飞行器向前飞的时候，那么我们要增加后面一组电机（11,9）的转速，减小前面一组电机（3,10）的转速9号电机=悬停油门 + 前飞的量10号电机= 悬停油门- 前飞的量11号电机= 悬停油门+ 前飞的量3号电机= 悬停油门- 前飞的量5.飞行器向后飞的情况，上面公式依然成立，前飞的量为负数。
6.当我们希望飞行器顺时针旋转，我们增加10号，11号对角线两个电机的转速，减小3号，9号这条对角线电机的转速。
9号电机=悬停油门 - 旋转的量10号电机= 悬停油门+ 旋转的量11号电机= 悬停油门+ 旋转的量3号电机= 悬停油门- 旋转的量7.当我们希望飞行器逆时针旋转，我们减小10号，11号对角线两个电机的转速，增加3号，9号这条对角线电机的转速。
继续使用上面的公式。
8. 最后，针对一个电机，它同时要负责前后左右和旋转的情况，那它就叠加了4种情况下的值：9号电机 = 悬停油门- 右倾的量 + 前飞的量 - 旋转的量10号电机= 悬停油门- 右倾的量 - 前飞的量 + 旋转的量11号电机= 悬停油门+ 右倾的量 + 前飞的量 + 旋转的量3号电机 = 悬停油门+ 右倾的量 - 前飞的量 - 旋转的量所以实现代码如下：#define PIDMIX(X,Y,Z) rcCommand[THROTTLE] + axisPID[ROLL]*X + axisPID[PITCH]*Y + YAW_DIRECTION * axisPID[YAW]*Z#ifdef QUADXmotor[0] = PIDMIX(-1,+1,-1); //REAR_Rmotor[1] = PIDMIX(-1,-1,+1); //FRONT_Rmotor[2] = PIDMIX(+1,+1,+1); //REAR_Lmotor[3] = PIDMIX(+1,-1,-1); //FRONT_L#endif一切对称，不对称的多旋翼布局都基于此理论，如果有爱的童鞋，可以补充解释Y3,Y6 ，V 尾的公式。
六个自由度的四旋翼飞行控制原理
1.四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六个状态输出，所以 它又是一种欠驱动系统。 2.四旋翼飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化。 3.电机1和电机3逆时针旋转的同时，电机2和电机4顺时针旋转， 保证四旋翼飞行器能够提供升力的同时，又能平衡其对机身 的反扭矩。
机载端控制电路版开发
• 红外接收装置——接收到发射装置的信息传递给单片机。
• 中央处理——单片机将接收到的红外信息处理，发送到PWM装置， 控制发动机的转速改变。
动力电路开发（PWM控制电流装置）
PWM电流控制电路： 每个PWM控制 器由一组电桥、及其外部一个感应电 阻（Rs）、一个内部比较器和一个单 稳多谐振荡器组成，来独立感应和控 制输出电流。
红外线接收器（接收信号）
反馈
单片机（中央处理）
PWM 步进电机（改变电流大小）
电机（转速改变） 飞行动作 轨道偏移外部扰动来自遥控电路开发（红外线装置）
• 四通道遥控器——上下、左右、前后、旋转 • 红外遥控装置——开关键，上升下降键，方向前后左右键。 （开关键：开启时，转速与飞行器重力刚好抵消，处于悬停 状态。关闭时，转速为零，处于停止状态。）
输出电流的逻辑控制：两个输入逻辑信号（l0 和 I1）用于数 字选择电机线圈电流在其最大水平的百分比，100%, 67%, 33%, or 0%。0%的输出电流值说明电桥关闭了所有驱动并且 也作为一个输出特性。
外界干扰因素
• 1.传感器噪声 • 2.外部扰动 • 3.摩擦 • 4.风速
四旋翼飞行器的控制系统设计与优化
四旋翼飞行器的控制系统设计与优化一、引言四旋翼飞行器（Quadcopter）作为一种多旋翼飞行器，由于其简单的结构和良好的操控性能，被广泛应用于无人机领域。
控制系统是四旋翼飞行器重要的组成部分，决定了飞行器的稳定性和操纵性。
本文将详细介绍四旋翼飞行器控制系统的设计与优化。
二、四旋翼飞行器的控制方式四电机和对应的螺旋桨通过电调控制转速，产生升力和推力。
四旋翼飞行器通常采用基于PID（Proportional Integral Derivative）的控制方式，通过控制电机的转速以及螺旋桨的角度来调整飞行器的姿态和位置。
三、控制系统的设计1. 传感器模块设计了解飞行器的姿态和位置信息对于控制系统至关重要。
传感器模块通常包括陀螺仪、加速度计和磁力计。
陀螺仪用于测量飞行器绕三个轴的角速度，加速度计用于测量飞行器在三个轴上的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向信息。
这些传感器模块需要精确校准，以保证采集到的数据准确可靠。
2. 控制算法设计控制算法是决定飞行器姿态和位置稳定性的重要因素。
常用的控制算法包括PID控制、模型预测控制（MPC）和适应性控制等。
PID控制是基于误差的比例、积分和微分项，通过调整系数来实现对飞行器的控制。
MPC控制是一种基于飞行器数学模型的预测控制方法，通过优化控制信号来实现飞行器运动的最优化。
适应性控制是根据飞行器的实际状态进行动态调整，适应环境变化和干扰。
四、控制系统的优化1. 参数调优控制系统中的参数是影响飞行器响应和稳定性的关键因素。
通过调整参数，可以优化飞行器的控制性能。
一般来说，参数调优是一个迭代的过程，可以通过实验和仿真来进行。
常用的参数调优方法包括试错法和自适应算法。
2. 增强控制系统稳定性为了提高飞行器的稳定性，可以采取一些增强控制系统稳定性的措施。
例如，增加控制环路的带宽，提高控制系统对高频信号的响应；使用卡尔曼滤波器进行信号融合，改善传感器数据的精度和一致性；采用纠错码等方式提高系统的鲁棒性。
四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器的工作原理
四旋翼飞行器，作为一种无人机类型，由四个电动马达驱动，每个马达带动一
个螺旋桨，通过旋转螺旋桨产生的升力和推力来实现飞行。
在四个螺旋桨的作用下，四旋翼飞行器可以进行上升、下降、前进、后退、向左、向右移动等各种飞行动作。
结构组成
四旋翼飞行器的主要结构包括机架、电机、螺旋桨、飞控以及电池等部件。
其中，电机和螺旋桨的组合负责提供飞行器的动力，飞控系统则控制着电机的转速，从而操控四旋翼飞行器的姿态和飞行方向。
工作原理
四旋翼飞行器的工作原理主要是通过控制四个电动马达的转速，来调节四个螺
旋桨产生的推力大小和方向，在空气中形成动力平衡，从而实现飞行。
当四个电动马达以相同的速度旋转时，四旋翼飞行器将悬停在空中；当电机转速有所不同时，四旋翼飞行器就会产生倾斜，从而实现前进、后退、向左或向右移动。
升力和推力
四旋翼飞行器的飞行靠的是螺旋桨产生的升力和推力。
当四个螺旋桨以适当的
速度旋转时，它们将向下推动大量的空气，产生向上的升力。
通过协调四个螺旋桨的转速和方向，四旋翼飞行器可以在空中保持平衡，实现稳定的飞行。
飞控系统
飞控系统是四旋翼飞行器的大脑，负责控制电机的转速和姿态，以实现飞行器
的稳定飞行。
飞控系统通过传感器感知四旋翼飞行器的姿态和环境信息，然后通过内置的控制算法计算出最优的控制指令，控制电机的运行状态，确保飞行器能够稳定飞行。
结语
总的来说，四旋翼飞行器的工作原理是通过控制螺旋桨产生的升力和推力来实
现飞行。
通过合理设计机身结构和配备飞控系统，四旋翼飞行器能够实现各种复杂的飞行动作，是一种十分便捷和灵活的无人机类型。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述随着科技的不断发展，无人机已经成为了现代社会中不可或缺的一部分。
其中四旋翼飞行器是无人机中的一种常见类型，它具有简单的结构、灵活的机动性和广泛的应用领域。
在四旋翼飞行器的飞行过程中，飞行控制技术起着至关重要的作用，它直接影响着飞行器的稳定性、精准度和安全性。
本文将就四旋翼飞行器飞行控制技术进行综述，包括其基本原理、控制方法和发展趋势。
一、四旋翼飞行器的基本原理四旋翼飞行器由四个对称分布的螺旋桨组成，其工作原理类似于直升机。
螺旋桨通过变化其转速来产生升力和推力，从而使飞行器在空中进行飞行。
四旋翼飞行器的飞行控制主要通过调节螺旋桨的转速来实现。
当需要向上升时，四个螺旋桨的转速均增加；当需要下降时，四个螺旋桨的转速均减小；当需要向前飞行时，前两个螺旋桨的转速增加，后两个螺旋桨的转速减小；当需要向后飞行时，前两个螺旋桨的转速减小，后两个螺旋桨的转速增加。
通过这种方式，四旋翼飞行器可以在空中实现上升、下降、前进、后退、转向等各种飞行动作。
二、四旋翼飞行器的飞行控制方法1. 自稳定控制自稳定控制是四旋翼飞行器最基本的飞行控制方法。
它通过激活飞行器中的陀螺仪、加速度计、磁力计等传感器，实时监测飞行器的姿态和运动状态，然后通过控制飞行器的电机来调整其姿态，使其保持水平飞行、平稳悬停等动作。
这种控制方法简单直观，适用于日常飞行和初学者操作。
2. 遥控手柄控制遥控手柄控制是四旋翼飞行器常见的操控方式。
通过遥控器上的摇杆、按钮等控制装置，飞行员可以实时操控飞行器的姿态、速度和高度。
这种控制方法需要飞行员有一定的飞行经验和操作技巧，适用于比较复杂的飞行任务和专业的飞行员。
3. 自动驾驶控制随着人工智能和自动控制技术的不断发展，自动驾驶控制已经成为了四旋翼飞行器的新趋势。
通过预先设置飞行路径、目标点和航线，飞行器可以自主实现起飞、飞行、巡航、降落等任务，大大提高了飞行的精准度和安全性。
这种控制方法适用于无人机自主飞行、航拍、物流运输等领域。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种常见的无人机类型，由四个电动发动机驱动的旋翼提供升力和姿态控制。
针对四旋翼飞行器的飞行控制技术涉及姿态控制、飞行轨迹规划、导航与定位等方面。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制技术进行综述。
姿态控制是四旋翼飞行器飞行控制的核心内容之一。
姿态控制旨在通过调节四个电动发动机的转速和螺旋桨的螺距，控制飞行器的姿态，包括横滚、俯仰和偏航。
常用的姿态控制方法包括基于PID控制器的闭环控制和基于模型预测控制的优化控制方法。
闭环控制方法通过即时测量飞行器的姿态误差，计算控制指令并反馈给电动发动机，实现姿态的稳定控制。
模型预测控制方法则基于建立的飞行器动力学模型，通过优化算法计算出最优的电机输出，以实现更精确的姿态控制。
飞行轨迹规划是四旋翼飞行器飞行控制的重要一环。
飞行轨迹规划旨在根据任务需求，规划出最优的飞行轨迹，包括飞行起始点、终止点和中间的路径。
常用的飞行轨迹规划方法包括基于传感器数据的路径规划和基于优化算法的路径规划。
基于传感器数据的路径规划方法通过分析传感器数据，提取飞行器的环境信息，计算出适合的飞行轨迹。
基于优化算法的路径规划方法则通过建立代价函数，优化飞行路径的性能指标，如时间、能耗、安全性等，以得到最优的飞行轨迹。
导航与定位是四旋翼飞行器飞行控制的关键技术之一。
导航与定位旨在确定飞行器的位置和姿态，以实现飞行器的精确定位和导航。
常用的导航与定位方法包括惯性导航系统、全球卫星导航系统（如GPS）和视觉导航系统。
惯性导航系统通过加速度计和陀螺仪等传感器测量飞行器的加速度和角速度，从而推算出飞行器的位置和姿态。
全球卫星导航系统则通过接收卫星信号，计算出飞行器的位置和时间信息。
视觉导航系统则通过视觉传感器，分析环境中的视觉信息，计算出飞行器的位置和姿态。
四旋翼飞行器的飞行控制技术涉及姿态控制、飞行轨迹规划和导航与定位等方面。
实现四旋翼飞行器的稳定飞行和精确定位导航需要综合应用多种控制方法和传感器技术，并通过优化算法和自适应控制等手段不断提高飞行器的飞行性能。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。
它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。
姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。
下面将对这两种控制技术进行详细介绍。
一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。
在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。
通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。
但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。
2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。
通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。
模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。
3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。
在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。
遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。
1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。
在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。
通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。
但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。
3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。
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四旋翼飞行器的控制规律及算法实现
四旋翼的基本飞行须参考3个测量量，Pitch，Roll和yaw，然后控制4个电机的转速以达到升降、悬停等动作。
四旋翼飞行器的动力学模型复杂，受外界环境影响大，对控制器的自适应和鲁棒性要求都比较高，故控制方法挺多，比如什么反步法（Backstepping），LQ，ADRC。
不过，专家们也许都比较喜欢说术语，忽悠人吧，其实这玩意控制起来比看论文中的要简单得多，主要就是个——PID，要不分段PID，模糊PID，自适应PID，PID神经元网络.... 够啦，总之没那么复杂。
首先，四个电机，如何控制侧倾？如果单单考虑控制一个电机来侧倾，这不严谨，因为当动作其中一个电机时转速的变化改变了反扭矩的大小而对角的另一个电机产生的扭矩没有改变，此时四旋翼不仅侧倾还会在yaw上面产生额外的运动，所以控制电机应该成对去控制，比如：
定义电机排布方式如下：
M1
|
M2 —— M3
|
M4
这就是四旋翼“+”飞行模式，不难理解，要调整pitch，只要改变M1与M4的转速，调整roll，则改变M2与M3的转速，所以可以得到如下控制规律：
M1 M2 M3 M4 (H为Hold 保持)
正俯仰+ H H -
反俯仰- H H +
正横滚H + - H
反横滚H - + H
顺航向+ - - +
反航向- + + -
上升+ + + +
下降- - - -
不过自己搞的四轴并不是使用“+”模式，那没意思，我喜欢“X”模式。
咋一看，似乎复杂了，其实不然，只不过是在每次动作时要操作四个电机而已。
定义电机排布方式如下：
M1 M2
\ /
/ \
M3 M4
可以这么看，把M1&M2当成’+‘模式中的M1；M3&M4当成’+‘模式中的M4，另外两组类推。
所以也可得到“X”模式的控制规律：
M1 M2 M3 M4
正俯仰+ + - -
反俯仰- - + +
正横滚- + - +
反横滚+ - + -
顺航向+ - - +
反航向- + + -
上升+ + + +
下降- - - -
好了，两种模式的控制规律表都在手了，接下来是如何控制，使其能自主悬停？这里实质上也没什么奥妙，就是通过PID，调整电机PWM，减小期望与当前姿态的误差，即可实现悬停、航线等复杂动作。
AHRS姿态解算要可靠，这是重头戏！我的经验是：开启电机，强震动下AHRS只要能保证解算的姿态误差幅度在1°以内即可。
接着就是一条经典的PID公式：u(t) =
Kp*[e(t)-e(t-1)] + Ki*e(t) + Kd*[e(t)-2*e(t-1)+e(t-2)] ，u(t)即为本次给电机的控制量。
这里e(t)即为当前时刻期望姿态与测量姿态的误差。
因为是控制3维刚体运动，所以需要当前各轴误差，上次的各轴误差，上上次的各轴误差，还有三套PID参数（也可只用一套参数），可以写成如下矩阵形式：
| Up(t) | | ep(t)-ep(t-1) ep(t) ep(t)-2*ep(t-1)+ep(t-2) | | Kp |
| Ur(t) | = | er(t)-er(t-1) er(t) er(t)-2*er(t-1)+er(t-2) | * | Ki |
| Uy(t) | | ey(t)-ey(t-1) ey(t) ey(t)-2*ey(t-1)+ey(t-2) | | Kd |
Up,Ur,Uy，分别为各轴的控制量；ep,er,ey分别为各轴的姿态误差；。