四轴飞行器姿态控制算法
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。
四轴飞行器的稳定飞行控制技术
四轴飞行器的稳定飞行控制技术四轴飞行器（Quadcopter）是一种具有四个旋翼的无人机，通过调节四个旋翼的转速来实现飞行。
由于其稳定性和机动性优秀，四轴飞行器在航拍、物流配送、农业植保等领域得到广泛应用。
而为了实现四轴飞行器的稳定飞行，飞行控制技术起着至关重要的作用。
一、传感器与数据获取四轴飞行器的稳定飞行控制技术需要依赖高精度的传感器来获取飞行器的姿态信息和环境数据。
例如，加速度计用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量转动角速度，磁力计用于测量地磁场，气压计用于测量飞行高度等等。
这些传感器通过称为“惯性测量单元（IMU）”的模块来集成，为飞行控制系统提供准确的数据。
二、飞行控制算法与姿态控制四轴飞行器的稳定飞行控制技术需要依靠精确的飞行控制算法来实现姿态控制。
常用的控制算法包括PID控制（比例、积分、微分控制）、模型预测控制以及自适应控制等。
PID控制通过调节旋翼转速，根据飞行器当前状态与期望状态之间的误差来实现姿态调整。
模型预测控制利用数学模型预测飞行器的未来响应，从而实现更加精确的控制。
自适应控制系统可以自动调整控制参数以适应各种环境条件和飞行状态。
三、飞行控制器与实时控制飞行控制器是四轴飞行器的核心部件，负责接收传感器数据、进行姿态控制算法运算，并输出控制指令。
目前市面上常用的飞行控制器主要有基于开源飞控软件的，如基于ArduPilot的Pixhawk飞控，以及基于Betaflight的F4 V3飞控等。
这些飞行控制器采用高性能的处理器和实时操作系统，能够实现稳定飞行控制算法的即时计算和输出。
同时，飞行控制器还提供与遥控器的通信接口，使得飞行器的遥控操作变得简单方便。
四、传输系统与遥控操作四轴飞行器的稳定飞行控制技术还需要借助传输系统来与地面站或遥控器进行通信。
常用的通信方式包括无线电遥控、蓝牙、Wi-Fi和4G等。
通过传输系统，飞行控制器可以接收来自地面站或遥控器的指令，反馈飞行器的飞行状态及其他数据，并实现相应的姿态调整。
四轴飞行控制原理
四轴飞行控制原理四轴飞行器是一种具有四个旋翼的飞行器，通过控制旋转速度和方向来实现飞行。
其控制原理包括传感器感知、飞行动力学建模、控制器设计和电机控制。
1.传感器感知四轴飞行器通常配备有陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等传感器。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量线性加速度，磁力计用于测量地磁场方向，气压计用于测量飞行器的高度。
这些传感器可以提供飞行器在空间中的姿态、位置和速度等信息。
2.飞行动力学建模通过传感器测量的数据，可以对飞行器的姿态进行估计。
姿态估计主要包括姿态角（滚转、俯仰和偏航）的估计和位置的估计。
将姿态和位置的估计值与期望值进行比较，可以得到姿态和位置的误差。
飞行动力学建模主要包括飞行器的动力学方程和状态方程，可以通过这些方程来描述飞行器的姿态、位置和速度等动态变化。
3.控制器设计控制器设计主要是设计一个控制算法来根据传感器测量的数据和期望的姿态和位置来控制飞行器的旋转速度和方向。
通常使用的控制算法包括PID控制器、模型预测控制器、自适应控制器等。
PID控制器是一种常用的控制算法，根据误差的大小和变化率来调整控制信号，从而使飞行器逐渐接近期望的姿态和位置。
4.电机控制四轴飞行器通常使用四个无刷电机来控制旋翼的转速和方向。
通过适当调整电机的转速，可以使飞行器产生所需的推力和力矩，从而实现期望的运动。
电机控制主要包括PWM控制信号的生成、电机转速的调节和电机的航向控制。
PWM控制信号的生成由控制器完成，根据控制器的输出调整电机转速，使旋翼产生所需的推力和力矩。
电机的航向控制通常通过改变电机的转速来实现。
总结：四轴飞行控制原理主要包括传感器感知、飞行动力学建模、控制器设计和电机控制。
通过传感器感知飞行器的角速度、线性加速度、地磁场方向和高度等信息，通过飞行动力学建模估计飞行器的姿态和位置，根据期望的姿态和位置与估计值的误差，设计控制算法来控制飞行器的旋转速度和方向，通过调整电机的转速，使飞行器产生所需的推力和力矩，从而实现期望的飞行。
四轴飞行控制原理
四轴（1）-飞行原理总算能抽出时间写下四轴文章，算算接触四轴也两年多了，从当初的模仿到现在的自主创作经历了不少收获了也不少。
朋友们也经常问我四轴怎么入门,今天就简单写下四轴入门的基本知识。
尽量避开专业术语和数学公式。
1、首先先了解下四轴的飞行原理。
四轴的一般结构都是十字架型，当然也有其他奇葩结构，比如工字型。
两种的力学模型稍微有些不一样,建议先从常规结构入手（其实是其他结构我不懂).常规十字型结构其他结构常规结构的力学模型如图。
力学模型对四轴进行受力分析,其受重力、螺旋桨的升力，螺旋桨旋转给机体的反扭矩力。
反扭矩影响主要是使机体自旋，可以想象一下直升机没有尾桨的情况。
螺旋桨旋转时产生的力很复杂，这里将其简化成只受一个升力和反扭矩力。
其它力暂时先不管,对于目前建模精度还不需要分析其他力，顶多在需要时将其他力设为干扰就可以了。
如需对螺旋桨受力进行详细研究可以看些空气动力学的书,推荐两本，空气螺旋桨理论及其应用（刘沛清,北航出版社）空气动力学基础上下册（徐华舫，国防科技大学)网易公开课：这个比麻省理工的那个飞行器构造更对口一些.荷兰代尔夫特理工大学公开课：空气动力学概论以上这些我是没看下去，太难太多了，如想刨根问底可以看看。
解释下反扭矩的产生:电机带动螺旋桨旋转，比如使螺旋桨顺时针旋转，那么电机就要给螺旋桨一个顺时针方向的扭矩（数学上扭矩的方向不是这样定义的,可以根据右手定则来确定方向).根据作用力与反作用力关系，螺旋桨必然会给电机一个反扭矩。
在转速恒定，真空，无能量损耗时，螺旋桨不需要外力也能保持恒定转速,这样也就不存在扭矩了，当然没有空气也飞不起来了。
反扭矩的大小主要与介质密度有关,同样转速在水中的反扭矩肯定比空气中大。
因为存在反扭矩,所以四轴设计成正反桨模式，两个正桨顺时针旋转，两个反桨逆时针旋转，对角桨类型一样，产生的反扭矩刚好相互抵消。
并且还能保持升力向上.六轴、八轴…类似。
我们控制四轴就是通过控制4个升力和4个反扭矩来控制四轴姿态。
四轴飞行器飞控原理
四轴飞行器飞控原理四轴飞行器飞控原理1一、六种姿态控制原理示意3二、四轴翼飞行器系统建模42.1假设条件：42.2建立坐标系：62.3转换矩阵推导：62.4非线性模型82.5模型线性化11三、基于PID的飞行控制14四、硬件设计与实现174.1四轴飞行器硬件电路171 / 20五、国内外四轴飞行器185.1 Kesterl185.2 Unav3500185.3 MikroKoper195.4 ArduPilot195.5 Crazyflie202 / 20一、六种姿态控制原理示意图1 上下（高度）控制，就是四个螺旋桨同时增加（减小）转速；图2 前进、后退3 / 204 /20图3 左飞、右飞图4 类似打方向盘，改变航向二、四轴翼飞行器系统建模 2.1假设条件：微小型四旋翼飞行器在三维空间中可视为刚体,飞行器在空间中的运动具有六个自由度,即飞行器质心在空间中的三个平移自由度和三个旋转自由度。
由于该飞行器一般为低空低速飞行,因此可以对其动力学模型的建立做如下假设:1)微小型四旋翼飞行器在研究中视为刚体,忽略其弹性影响,总质量m 为常数;2)将地球视为惯性系统,忽略地球自转和公转对飞行器的影响;3)假设地面为水平平面,忽略地球曲率的影响;4)重力加速度g为常数,不随地理位置和飞行高度的变化而变化;5)飞行器机机体几何外形完全对称且质量分布均勻,质心与几何中心重合。
5 / 202.2建立坐标系：图5机体坐标系B、地面坐标系EФ绕X轴方向的横滚角(rad);θ绕轴方向的俯仰角(rad);ψ绕Z轴方向的偏航角(rad):2.3转换矩阵推导：（可以查阅高等数学方向余弦，矩阵论中的旋转矩阵等资料）6 / 207 /20公式（1）公式（2）2.4非线性模型由于作用到飞行器上的合力和合力矩是四个螺旋奖所产生的力与力矩的矢量和,因此,他们之间存在极大地交叉耦合特性。
例如,横滚(俯仰)力矩的改变将会对侧向(纵向)加速度有一个直接的影响。
四轴飞行器飞行状态的分析与计算
四轴飞行器飞行状态的分析与计算控制飞行器在空中飞行，有以下需要注意的地方，首先，在飞行过程中，飞行器不仅受到各种自身硬件物理效应的作用，而且还容易受到气流风速等外界环境的干扰，很难在短时间内获得准确的性能参数；其次，飞行器是一个具有六个自由度，而只有四个控制输入的欠驱动系统，它具有多变量、非线性、强耦合和干扰敏感的特性，从而使得飞行控制系统的硬件设计和软件算法变得非常困难；最后，利用陀螺仪和加速度计进行物体姿态检测需要进行累积误差的消除，怎样建立误差模型以及通过怎样的融合算法来修正累积误差也是一个工程难题。
下面逐个说明飞行器的飞行姿态。
垂直运动，如下图a，因有两对电机转向相反，可以平衡其对机身的反扭矩，当同时增加四个电机的输出功率，旋翼转速增加使得总拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四轴飞行器便离地垂直上升；反之，同时减小四个电机的输出功率，四轴飞行器则垂直下降，直至平衡落地，实现了沿z轴的垂直运动。
当外界扰动量为零时，在旋翼产生的升力等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停状态。
保证四个旋翼转速同步增加或减小是垂直运动的关键。
俯仰运动，如下图b，电机1的转速上升，电机3的转速下降，电机2、电机4的转速保持不变。
为了不因为旋翼转速的改变引起四轴飞行器整体扭矩及总拉力改变，旋翼1与旋翼3转速该变量的大小应相等。
由于旋翼1的升力上升，旋翼3的升力下降，产生的不平衡力矩使机身绕y轴旋转（方向如图所示），同理，当电机1的转速下降，电机3的转速上升，且该变量相等时，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。
滚转运动，如下图c，原理与图b相同，改变电机2和电机4的转速，一个增大一个减小，且变化量保持相等，保持电机1和电机3的转速不变，则可使机身绕x轴旋转（正向和反向），即可实现飞行器的滚转运动。
偏航运动，如下图d，四轴飞行器偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。
旋翼转动过程中由于空气阻力作用会形成与转动方向相反的反扭矩，为了克服反扭矩带来的影响，可使四个旋翼中的两个正转，两个反转，且对角线上的来年各个旋翼转动方向相同。
四旋翼飞行器的控制规律及算法实现
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。
四轴飞行器飞行原理与双闭环PID控制
四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，相对于固定翼飞行器，它的方向控制灵活、抗干扰能力强、飞行稳定，能够携带一定的负载和有悬停功能，因此能够很好地进行空中拍摄、监视、侦查等功能，在军事和民用上具备广泛的运用前景。
四轴飞行器关键技术在于控制策略。
由于智能控制算法在运行复杂的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器计算能力受限，难以达到飞行控制实时性的要求；而PID控制简单，易于实现，且技术成熟，因此目前主流的控制策略主要是围绕传统的PID控制展开。
1 四轴飞行器的结构与基本飞行原理四轴飞行器结构主要由主控板和呈十字交叉结构的4个电子调速器、电机、旋浆组成，电机由电子调速器控制，主控板主要负责解算当前飞行姿态、控制电调等功能。
以十字飞行模式为例，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 四轴飞行器结构图参照飞行状态表1变化电机转速，由于四个电机转速不同，使其与水平面倾斜一定角度，如图l所示。
四个电机产生的合力分解为向上的升力与前向分力。
当重力与升力相等时，前向分力驱动四轴飞行器向倾斜角度的方向水平飞行。
空间三轴角度欧拉角分为仰俯角、横滚角、航向角：倾斜角是仰俯角时，向前、向后飞行；倾斜角是横滚角时，向左、向右飞行；而倾斜航向角时，向左、右旋转运动，左(右)旋转是由于顺时针两电机产生的反扭矩之和与逆时针两电机产生的反扭矩之和不等，即不能相互抵消，机身便在反扭矩作用下绕z轴自旋转。
2 姿态解算四轴飞行器运用姿态解算计算出空间三轴欧拉角。
结构框架如图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、校正后得到三轴欧拉角度，其中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，采用IIC总线与主控板通信。
图2 姿态解算结构图由于传感器存在器件误差，因此在使用前需要标定。
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姿态解算
姿态解算(attitude algorithm), 是指把陀螺仪，加速度计, 罗盘等的数据融合在一起，得出飞行器的空中姿态，飞行器从陀螺仪器的三轴角速度通过四元数法得到俯仰，航偏，滚转角，这是快速解算，结合三轴地磁和三周加速度得到漂移补偿和深度解算。
姿态的数学模型坐标系姿态解算需要解决的是四轴飞行器和地球的相对姿态问题。
地理坐标系是固定不变的，正北，正东，正上构成了坐标系的X，Y ，Z 轴用坐标系R 表示，飞行器上固定一个坐标系用r 表示，那么我们就可以适用欧
姿态的数学表示姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。
在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角,姿态解算的核心在于旋转。
姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。
在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。
姿态控制
算法的输入参数必须要是欧拉角。
AD 值是指MPU6050 的陀螺仪和加速度值，3个维度的陀螺仪值和 3 个维度的加速度值，每个值为16位精
度。
AD 值必须先转化为四元数，然后通过四元数转化为欧拉角。
在四
轴上控制流程如下图：
面是用四元数表示飞行姿态的数学公式，从
MPU6050 中采集的数据经过下面的公式计算就可以转换成欧拉角，传给姿态PID 控制器中进行姿态控制.
PID 控制算法先简单说明下四轴飞行器是如何飞行的,四轴飞行器的螺旋桨与空气发生相对运动，产生了向上的升力，当升力大于四轴的重力时四轴就可以起飞了。
四轴飞行器飞行过程中如何保持水平：我们先假设一种理想状况：四个电机的转速是完全相同的是不是我们控制四轴飞行器的四个电机保持同样的转速，当转速超过一个临界点时（升力刚好抵消重力）四轴就可以平稳的飞起来了呢？答案是否定的，由于四个电机转向相同，四轴会发生旋转。
我们控制四轴电机1和电机3同向，电机2电机4反向，刚好抵消反扭矩，巧妙的实现了平衡, 但是实际上由于电机和螺旋浆本身的差异，造成我们无法做到四个电机产生相同的升力，这样飞行器起飞之后就会失去平衡。
PID 控制器
PID 控制器通过PID 三个参数来对被控对象进行控制，是应用最广泛一种的控制器
比例(P)控制器
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
积分(I) 控制器在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统( System with Steady-state Error)。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(D)控制器
微分调节就是偏差值的变化率。
使用微分环节能够实现系统的超前控制。
如果输入偏差值线性变化，则在调节器输出侧叠加一个恒定的调节量。
大部分控制系统不需要调节微分时间。
因为只有时间滞后的系统才需要附加这个参数。
如果画蛇添足加上这个参数反而会使系统的控制受到影响。
四轴飞行器中的控制器
目前四轴飞行器中所使用的是增量事PD 控制器，下面以ROLL 方向为例
测得ROLL 轴向偏差
偏差= 目标期望角度–传港器实测角度[C] 纯文本查看复制代码
1 <font style="color:rgb(51, 51, 51)"><font face="Roboto,"><font size="4">DIF_ANGLE.X
1 Q_ANGLE.Roll;</font></font></font>
比例项计算 比例项输出 = 比例系数 P * 偏差
[C] 纯文本查看 复制代码
?
1 <font style="color:rgb(51, 51, 51)"><font face="Roboto,"><font size="4">Proportion = 1 DIF_ANGLE.x;</font></font></font>
微分计算 微分输出 = 微分系数 × 角速度 整合结果 ROLL 方向总控制量 = 比例项输出 +微分量输出 电机输出
[C] 纯文本查看 复制代码
?
1 [/size]
2 [size=4]Motor[2] = (int16_t)(Thr - Pitch - Roll - Yaw );
3 Motor[0] = (int16_t)(Thr + Pitch + Roll - Yaw );
4 Motor[3] = (int16_t)(Thr - Pitch + Roll + Yaw );
5 Motor[1] = (int16_t)(Thr + Pitch - Roll + Yaw ); 旋转规则
1.
Roll 方向旋转，则电机 1电机 2同侧出力，电机 0 电机 3反向出 力 2. Pitch 方向旋转，则电机 2电机 3 同侧出力，电机 0 电机 1 反向出 3. Yaw 方向旋转，则电机 1 电机 3 同侧出力，电机 0 电机 2 反向出 力 //M3 //M1 //M4
//M2。