飞行器飞行控制技术研究

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基于STM32单片机对飞行器控制技术的研究

作者：余婷 庄燕青 林朋雨 张容川 赵春阳

来源：《中国科技博览》2017年第05期

[摘 要]文章介绍了基于STM32单片机的X形四旋翼飞行器飞行控制系统。通过对角速度进行方位余弦计算及与加速度进行互补滤波，得到飞行器的飞行姿态，最终通过PID控制算法控制飞行器的四个电机的推力，使飞行器保证稳定并按照遥控器指令进行飞行。

[关键词]四旋翼飞行器；STM32；方位余弦；互补滤波

中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0096-01

1 飞行器研究背景

四旋翼飞行器较普通的直升机有机械结构简单，易于制作、易于小型化、同等规模下载重量大等优点，在最近2-3年中逐渐得到关注。但是，由于四旋翼飞行器自身特性为一个多变量耦合非线性不稳定系统，基本上无法由人直接操控，必须加入自动控制系统来辅助稳定飞行姿态。所以，四旋翼飞行器自动飞行控制系统性能的好坏直接关系着飞行器飞行性能及操控性。所以本设计就飞行控制系统的算法以及如何提高控制性能进行研究。

2 飞行器研究方法

飞行器的结构形式和工作原理：

（1）结构形式

多旋翼飞行器的最主要特点就是机械结构简单，不像普通直升机包含大量拉杆、铰链和传动结构，多旋翼飞行器一般采用电机直接驱动旋翼的结构形式，根据旋翼多少的不同，一般可分为四旋翼、六旋翼、八旋翼以及双层四旋翼等。旋翼的多少主要的区别在于载重能力和抗风能力上的差别，本设计主要研究的是飞行器的智能控制，所以拟采用结构最简单的四旋翼飞行器作为研究对象。

（2）工作原理

典型的传统直升机配备有一个主转子和一个尾桨。他们是通过控制舵机来改变螺旋桨的桨距角，从而控制直升机的姿态和位置。多旋翼飞行器与此不同，以四旋翼飞行器来说，是通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的姿态和位置。 龙源期刊网

制导装备飞行器控制技术研究现状与发展趋势

摘要：对制导装备飞行器技术发展国家整体综合国力以及科学水平的重要表现。全球强国及其有关工作者，也正关注以高空、高速飞行的基本技术手段进行研发，而其中的许多先进关键技术的研发计划以及新型飞行器也正在各个航天强国的研究发展计划之中，并取得了非常大的技术进步。基于此，本文主要以制导装备飞行器控制技术作为切入点，进一步探讨当前制导装备飞行器控制研究现状，并展望飞行器控制技术未来的发展趋势，以便于通过对文章的讨论，进一步推动未来制导装备飞行器控制的发展。

关键词：制导装备飞行器；控制技术；研究现状；发展趋势

引言：对制导装备飞行器来说，主要就是进入到高空当中的高速飞行器。飞行器控制技术是当前飞行器控制领域当中的难点，可以彰显出前沿性以及综合性的特点，进而成为支撑航天事业发展的关键领域。

一、航天飞行器控制技术研究现状

（一）上升段制导

在六十年代，真空飞行段也进行了一个近似的最优制导，以及运用阿波罗计划中的土星系列运载火箭以及航天器。然而，也正是由于没有快速以及有效对大气中最优预测导航问题加以处理的方法，在大气环境中的上升段通常只对开口线圈导航技术进行应用。而在国外，从70年代起，就开始进行在大气层内闭路导航的初步探索，试图向着自主性和迅捷性进入空间的基本任务进军，以便在较高的风险和技术特性不明确的条件下，保持具有相同并且合理的荷载水平，对发射之前的研制设计和过程中所花费的工时、资金加以缩短，以最优控制理论上升段最优制导技术为基础，取得一定突破。但是，它缺乏具体的技术应用[1]。 （二）升力式再入制导

到了20世纪50年代以前，再入式的制导技术就开始迅速发展了半个世纪以上。对升力式的再入式航空器来说，从20世纪70年代以后的研制计划基本上都是根据太空飞行器而展开。从制导装备飞行器的再入制导律上来说，这也就是当前已经相对完善而且通过了多项设计和实际检验的强高升力型再入导引技术。但是，到了20世纪90年代初期，美国为了对新型的天地往返式可重复使用运载装置的自主性、安全性等严格要求得到解决，进行了许多新型再进制导技术的研发以及试验，较为代表性的就是在一九九九年由美军所开展的X-33先进导航和监控系统计划。就这一计划而言，该项目计划将进行很多制导控制技术的测试，以及对长时间在轨飞行控制技术问题加以研究掌握，从而对以低轨速，较高升阻的再入飞行器离轨问题进行研究处理，并同时提出了若干相应的新型再入制导技术。比如说，在线轨迹生成与跟踪制导技会涵盖准平衡滑翔制导和基于实时积分的再入制导技术等。而从预测修正与制导技术上来说，主要是针对飞行器目前的飞行要求，对着飞行弹道的偏差值进行预测，并同时对飞行器飞行轨迹精度做出调整。所以，需要对所有误差参数都保持很好的修正度和控制度，才可以使制导装备自主可靠飞行的基本要求得以实现。不过，由于这种控制算法比较复杂，将对装备综合计算控制技术产生很大的要求。

低空飞行器的控制与导航技术研究

一、引言

随着现代技术不断的发展，无人机、微型飞行器等低空飞行器已经得到了广泛的应用。低空飞行器的运动在很大程度上取决于其控制与导航系统，所以其控制与导航技术的研究也变得越来越重要。

二、低空飞行器控制技术

1. 控制结构设计

低空飞行器的控制结构设计是影响其控制性能的重要因素，在设计控制器时需要考虑低空飞行器不稳定的因素，如发动机输出的扭矩、气流的影响及其他不确定因素等。

2. 控制器设计

低空飞行器控制器最重要的任务是控制飞行器的姿态、速度和位置，使其保持稳定的运动。控制器的设计需要考虑传感器的精度和延迟、飞行器的非线性性以及控制器算法的复杂性。

3. 控制策略研究

低空飞行器的控制策略通常包括PID、自适应控制、模型预测控制等。不同的控制策略在实际应用中有其适用范围，需要根据具体情况灵活选择。 三、低空飞行器导航技术

1. 定位技术

低空飞行器的定位技术多种多样，包括GPS、电子罗盘、惯性导航和机载相机等。各种技术有其优点和缺点，在选择定位技术时应根据具体应用场景进行选择。

2. 导航算法

低空飞行器的导航算法通常包括轨迹规划和路径规划两个部分。轨迹规划用于确定飞行器的理想轨迹，而路径规划用于确定飞行器的最优路径。导航算法需要考虑底层控制器的输入和想定飞行任务的特点。

四、低空飞行器控制与导航技术应用

1. 地质勘探

通过低空飞行器采集地面图像，可以实现地质勘探、地形测绘、地下资源勘探等。准确的控制与导航技术是保证数据采集质量的关键。

2. 交通监测

低空飞行器可以用于交通监测以及智能交通系统的建设。通过合理的控制与导航技术，低空飞行器可以实现智能巡航、车辆追踪、事故识别等。 3. 农业植保

低空飞行器在农业植保中的应用越来越广泛。通过低空飞行器精确的控制和导航技术，可以实现植保剂的精准投放，提高农业生产效益。

五、低空飞行器控制与导航技术的未来发展

1. 传感器技术的发展

飞行器飞行动力学研究现状

随着科技的不断发展， 飞行器已经成为人们出行和军事的重要工具。它的出现大大改变了人们的生活和战争形态。而作为飞行器的核心部分，飞行动力学的研究更是至关重要。那么，飞行器飞行动力学研究现状是怎样的呢？

一、 飞行动力学的基本原理与研究方向

飞行动力学是一门综合学科，它包括力学、 控制理论、航空学等众多专业知识。其基本原理是研究飞机在空气中运动的规律，并进一步利用这些规律研究飞机的设计与控制。 比如，不同机型的飞机在飞行中受到的风阻、升力、重力等力的作用都是不一样的。因此， 要针对不同的机型进行研究。

同时，飞行动力学研究的方向越来越多元化。目前， 这方面主要的研究方向有航空设计和优化、 飞行控制和制导、 模拟、性能和验收等。 在进一步的研究中，人们更加注重飞机的安全性和可靠性，对于飞机的高速性、 转弯性等方面的研究也日益受到关注。

二、 飞行动力学的研究方法

目前， 飞行动力学的研究方法也在不断更新。从过去的试飞和仿真到现在的计算机模拟，研究方法的不断升级带来了很多科技上的变革。

例如:人们可以先利用计算机模拟得到飞机在不同环境下的行为动态，通过分析模拟结果发现问题和优势，进而优化飞机的设计;

然后，再将这些优化方案用于连续性和静态的试验中，最终得到最终的设计方案。

此外，人们还引入了机器学习技术来加速研究飞行动力学的过程。飞行器的升降机构、引擎喷口的设计和位置，都可以通过数字化、三维成像等手段进行全流场模拟。然后，通过机器学习技术的帮助，可以更快更准地建立良好的数学模型，为进一步设计和研发提供支持。

三、 飞行动力学的未来发展趋势

未来， 随着人们对保障飞行安全要求的不断提升和科技的发展，飞行动力学的研究趋势将会向着以下几个方面发展：

1.利用数据挖掘和人工智能等新技术开展更加智能化的研究;

2. 加快新材料与新工艺的研究和应用;

3. 总体根据环保理念， 飞机发动机和燃油的设计将会更加注重节能和环保;