四轴 原理

给四轴调了好久的PID，总算是调好了，现分享PID参数整定的心得给大家，还请大家喷的时候手下留情。

首先说明一下，这篇文章的主旨并不是直接教你怎么调，而是告诉你这么调有什么道理，还要告诉大家为什

么„只‟使用PID的四轴会在飞行中震荡，告诉大家为什么光使用PID并不能实现对四轴姿态‘足够好’的控制。文

章中还是涉及了不少自控原理和其他控制相关的姿势，没有一点底子的话确实会看着很困惑（不然那么些人花好

几年学控制还有什么意义？）。如果你只想知道结论的话，直接看文章开头和结尾部分就好了（作者也支持大家

这么做，这样被喷的几率就小了=_=）。

本人是刚刚转行学控制，思考错误的地方还请各位大神批评指正。

Ps：用wps画系统框图太费劲了，于是就一个豆没有画„„，大家不会怪罪我吧？

PID控制器是什么？

我想每一个看到这里的人都对PID的概念有了足够的了解，我一遍遍叽歪比例积分微分没有任何意义。这里

我只想说一些大家提的较少的‘重点’内容：

PID控制器是一个线性的控制器！从这里开始我们进入正题了，虽然若干年来PID已然成为了世界上使用最

普遍的控制方法，也逐渐被人们神话到几乎可以控制一切„„„„„„但是，从理论上来说，只有‘线性的，符

合要求的’被控系统才能在PID控制下实现良好的控制效果。

所以说，我们首先第一步，要保证我们的被控系统在被PID控制的区域‘表现为’一个线性系统才行。于是

这里有人会说了，现实中没有哪个系统是线性的，自然，我们的四轴飞行器在大范围内是一个非常典型的非线性

系统（随便按照理论推推模型就会出现漫天的三角函数），也就是说，我们‘仅’使用标准PID控制的话是不可

能让四轴从各个姿态回到目标状态的过程都能保持稳定。于是这里出现我们使用PID时要注意的第一个问题：

我们的PID控制只能工作在四轴角度偏移不大的一个近似线性的区域内。这个区域没有定论，不过你要是飞

机偏了90°的话想用PID调回到水平状态指定是非常危险的事情。PID的模型相关问题非常重要也比较费口舌，

四轴飞行器飞行原理

四旋翼飞行器结构

形式如图所示，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，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。

与传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势：各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），这6个自由度的控制都可以通过调节不同电机的转速来实现。

其基本运动状态分别是：

（1）垂直运动；

（2）俯仰运动；

（3）滚转运动；

（4）偏航运动；

（5）前后运动；

（6）侧向运动；

在控制飞行器飞行时，有如下技术难点：

首先，在飞行过程中它不仅受到各种物理效应的作用，还很容易受到气流等外部环境的干扰，很难获得其准确的性能参数。

其次，微型四旋翼无人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，使得飞行控制系统的设计变得非常困难。

再次，利用陀螺进行物体姿态检测需要进行累计误差的消除，怎样建立误差模型和通过组合导航修正累积误差是一个工程难题。这三个问题解决成功与否，是实现微型四旋翼无人飞行器自主飞行控制的关键，具有非常重要的研究价值。

下面将逐个说明飞行器的各种飞行姿态：

垂直运动——在图中，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的拉力增大，当总拉力足以克服整机的重量时，四旋翼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，四旋翼飞行器则垂直下降，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——在图（b）中，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旋翼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，机身便绕y轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。

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四轴飞行器原理、设计与控制

四轴飞行器设计与用途

学院：广东白云技师学院

专业：电子信息工程与电气技术（技师本科）

制作学生：邹剑平

指导老师：廖高灵

四轴飞行器简介

配置：

单片机AVRATMEGA168PA

三轴数字陀螺仪MPU—3050电机（无刷）XXD22121000KV电子调速器（无刷）好盈天行者40A螺旋桨1045

电池格氏2200mAh11.1V25C机架DIY

机架材料玻璃纤维铝合金

四轴飞行器飞行原理

重心的距离相等,当对角两个轴产生的升力相同时能够保证力矩的平衡,四轴不会向任何一个四轴飞行器有四个电机呈十字形排列,驱动四片桨旋转产生推力;四个电机轴距几何中方

向倾转;而四个电机一对正转,一对反转的方式使得绕竖直轴方向旋转的反扭矩平衡,保证了四轴航向的稳定.

此飞行控制板规定四轴电机的排布方式如图所示:前(1号),后(4号),右(3号),左(2号).

1,4号电机顺时针方向旋转,2,3号电机逆时针方向旋转.四个电机的转速做相应的变化即可实现四轴横向、纵向、竖直方向和偏航方向上的运动:

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当四轴需要向前方运动时,2,3号电机保持转速不变,1号电机转速下降,4号电机转速上升,此时4号电机产生的升力大于1号电机的升力,四轴就会沿几何中心向前倾转,桨叶升力沿纵向的分力驱动四轴向前运动.

当四轴要转向左转向时,1,4号电机转速上升,2,3号电机转速下降,使向左的反扭距大于向右的反扭矩,四轴在反扭距的作用下向左旋转.

四个桨产生的推力,超过或者低于四轴本身重力的时候能够实现竖直方向上升与下降的运动,当桨的升力与四轴本身的重力相等的时候即实现悬停.

其他方式的运动原理与以上过程类似.四轴飞行原理虽然简单,但实现起来还需很多工作要做.

四轴飞行器控制流程图

四轴飞行器的优点

四轴飞行器与其他飞机比较相对稳定性高；四轴飞行器与其他飞机比较相对抗风能力强；载重量大(本机最大安全载重1100g);姿态灵活，反应速度快；可超低空飞行；

四轴飞行器

作品名称：四轴飞行器

工作原理：四轴飞行器主机采用了意法半导体公司的STM32F103CBT6处理器，该芯片采用ARM32位Cortex-M3内核。具有128K的Flash与20K的SRAM，内部具有锁相环模块，最高频率可达到72MHZ。板载MPU6050，该芯片整合了3轴陀螺仪与3轴加速器的6轴运动处理组件，与处理器采用I2C通信进行数据传送。主机与遥控之间采用的是NRF24L01+模块，该模块工作在2.4～2.5GHz全球免申请ISM工作频段。支持125个通讯频率。使用增强型的 Enhanced ShockBurst传输模式，支持6个数据通道（共用FIFO）。通过SPI与MCU连接，速率0～8Mbps。理论传输距离可达到2KM。

飞行器遥控器亦采用STM32F103CBT6处理器，通过摇杆的X,Y轴输出为两个电位器，再通过AD转换读出扭动角度，从而在程序内部定义其所读取角度信息的动作映射。遥控器具有三组微调旋钮，可以调整到其水平位置。遥控器也使用NRF24L01+芯片与飞行器主机进行数据传输。遥控器板载TP4057芯片，可以直接给电池充电。并且使用蜂鸣器，对主机状态（例如：无法连接，低电压，连接断开等）进行报警。

制作材料：

1. STM32F103CBT6：该芯片由意法半导体生产，采用ARM32位Cortex-M3内核。具有128K的Flash与20K的SRAM，芯片集成丰富的外设，例如：定时器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，PWM等。内部具有锁相环模块，最高频率可达到72MHZ。

2. MPU6050，全球首例整合性6轴运动处理组件，整合了3轴陀螺仪、3轴加速器，并含可藉由第二个I2C端口连接其他厂牌的加速器、磁力传感器、或其他传感器的数位运动处理(DMP: Digital Motion Processor)硬件加速引擎，由主要I2C端口以单一数据流的形式，向应用端输出完整的9轴融合演算技术InvenSense的运动处理资料库，可处理运动感测的复杂数据，降低了运动处理运算对操作系统的负荷，并为应用开发提供架构化的API。