基于STM32的四旋翼飞行器旋翼干扰下的串级PID控制
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、 起 落 、 ＩＵ源 、 遥 控 接 收 机 、 厄刷
ＥＳＣ等 分 来 组 成 Ｉ 。
：交 叉形 状 的 Ｕ轴 机 ，
四 个 螺 旋 桨 都 处 在 统 商 瞍 、卜面 ， 卜字 交 叉 的 坝 端 分
别 安 装 川 号的 两 对 正 反 螺 旋 浆 和 电 机 ， 支 ｔｌ，心 安 装 飞行 控 制 计 算 机 年ＩＪ外 部 箭。 飞控 板 、机 找 传 感 器
实 现 轴 的 顺 时 针 、 逆 ［ｉ１ｆ针 转 Ｉｔ，ｊ。 将 四 旋 人 机 的
囵 界．１１ ２０１ ８．１，’＿
Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ＿信 号与 系统
运 动 状 态 分 类 ，基 本 包 括 ： 前 后 、侧 向 、 滚 转 、 俯 仰 、偏 航 、垂 直 运 动 。 三 、 四旋 翼 飞行 模 型 的建 立
关 键词 ：四旋 翼飞 行器 ；串 级 ＰＩＤ；仿 真 ；抗干 扰
中 图分 类号 ：ＴＰ１３
文 献标 识码 ：Ａ
文 章编 号 ：１００６ ８８３Ｘ（２０１８）１卜 ００３２—０６
收稿 日期 ：２０１ ８－０９－２８
基于 ＳＴＭ３２的 四旋 翼 飞行器旋 翼
干扰下 的串级 Ｐ Ｉ Ｄ控制
信 号 与 系统 ＿Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ
注 ：国 家自然 科 学基 金资 助项 目 （Ｎ０：６１５７１０５３） 摘 要 ：随 着 四旋 翼 飞 行 器 的发 展 ，人 们对 其 抗 干 扰 能 力及 飞 行 控 制 要求 也 不 断 提 高 ，针 对 姿态 控
制 问题 进 行 了分 析 ，以 四 旋翼 飞 行器 为 研 究 对象 ，控 制 器 采用 ＳＴＭ３２Ｆ１ ０３ＲＥＴ６单 片机 ，惯性 测
量 元器 件 采用 ＭＰＵ６０５０等传 感 器 。通 过 一种 易 于 实现 的 串级 ＰｉＤ 控制 器 对其 姿 态 进行 控 制 ，利用 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进 行抗 干 扰仿 真 实验 ，通过 参 数整 定 ，最后 验 证 了较 于传 统 ＰＩＤ，串级 ＰＩＤ 可
以使 飞 行器 旋翼 的抗 干 扰能 力有 一定 的提 高 ，达 到良 好的 飞行 姿态 控 制效 果 。
小 殳尝 试 通 过 ·种 Ｊ 化 统 ＰＩＤ 改 逊 的 ｛＂绒 ＰＩＤ 控 制 系统 ，通 过 ＭＡＴＬＡＢ／ＳｉｍｕＩｉｎｋ仿 境 ， 定 参 数 时 Ｕ旋 仃 姿 念逐 步进 行优 化 控 制 。
二 、四 旋 翼 飞 行 器 飞 行 原 理 旋 翼 飞 行 器 要 赴 【ｆＩ 轴 机 架 、 旋 桨 、 无
通 过 研 究 飞 行 器 的 运 动 状 态 ， 可 以 将 其 运 动 状 态 概括 为 旋 转 、平 移运 动 方 式 的 组 合 。 ， ｚ］表 示 的是 以地 面 为参 考 系 ， 四 旋 翼 飞 行 器 质 心 的 具体 位 置 。 ，０， 则 是 表
㈩
示 ［４１物 体 坐 标 系 与 坐 标 轴 之 间 的 夹 角 ， 而 其 绕 着 三 个 轴 的角 速 度 （ ， ， ）则 是 可 以 用 陀 螺 仪 来得 到 。将 三 者 之 间 的关 系 表 示 为：
盛 广润 高 国 伟 张 迎 雪
、
。
一 、 引言
四
造 ＪＪ芟Ｊ， 于 受 外 界 １ 扰 ｆｊ 扰 动 影 响 的特 点 ， 这 样 也增 ＪＪｌ＇ｒ控 制 ｆ 的 难 度 ， 此 对 于 四 旋 翼 ｌ 亍器 控 制 系 统 ｝．ｆ｛Ｊ斡法 耍 求 也 逐 渐 提 高 。
ＳＴＭ３２出 白 于 ＳＴ 公 Ｉ ， 该款 嵌 入 式 处 理 器 备 ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核 ． 仪 有 着 超 低 的 功 耗 表 现 ， 还 』｝仃 快 的 速 度 响 ， 州 时 还 可 以 同 种 传 感 器 之 间 保持 息 通 讯 。所 以基 １ ＳＴＭ３２的 行 ｆＩｊｌＪ系统
对 于 飞 行 器 的 飞 行 位 置 及 状 态 的确 定 ， 一 般 是 取 用 惯 性 和 物 体 坐 标 系 。 如 图 ２所 示 ， 前 者 坐 标 系 的 原 点 是 选 用 地 球 的 中 心 ， 选 用 的 惯 性 坐 标 系 和 物 体 坐 标 系 分 别 表 示 为 Ｅ（ＯＸＹＺ）、Ｂ（ｏｘｙｚ）［３１ｅ
ｆ １ ｓｉｎ ｔａｎ０
●
ｏ ＝ Ｊ Ｏ ｃｏｓ
●
０ ｓｉｎ￣／ｃｏｓＯ
通 过 物 理 学 知 识 对 四 旋翼 飞行 器 受 力 进 行 分 析 ，如 图 ２所 示 ， 主 要 分 为 四 旋 翼 飞 行 器 本 身 的重 力 Ｇ、 无 人 机 在 飞 行 过 程 中所 受的空气阻力 厂、飞行器旋翼产生的升力 Ｆ。
‘ 卉 资源 仃 效 利 用 、 减 少 ，｝：发 成 本 的 优 势 。 ＩＩ 常 用 的 控 制 算 法 要 还 是 ＰＩＤ 控 制 算 法 ， 同
时 也还 反 演 控 制 和 滑 膜 制 方 法 ，但 是 反 演 控 制 方 法 的 怂 效 果 控 制 能 力 比较 蔗 ， 而 滑 膜 控 制 法 的 缺 点 赴 ｌ｛＿ｉ Ｊ：过 程 中 会 发 生 制 结 构 的 变 化 ， 导 致 ‘定 的 商 频 扰 动 而 使 得 控 制 效 果 变 筹 。 传 统 的 ＰＩＤ 算 法 小 具 缶较 的 抗 干 扰 能 力 。
和 电池 等 安 装 在 无 人 机 的 ·…Ｉ、『ｆ＿位置 。 如 １所 示 ， ｐＵ旋 烫 ｌ 尢 人 机 的 姿 态 渊 帑 ＿ｌ｝；＿Ｉ５址 … 阴
个 电 机 决定 的 ， 通 过 增 减 Ｊ 侧 各 两 个 Ｌ乜机 的转 速 ，
才 可 以安 四轴 的 ［ｒｑ向 偏转 ．从 而 再 向 四 个 运 助 。 也 通 过 增 减 对 角 线 方 向 两 两 个 电机 的 转 迷 ， 以
ＥＳＣ等 分 来 组 成 Ｉ 。
：交 叉形 状 的 Ｕ轴 机 ，
四 个 螺 旋 桨 都 处 在 统 商 瞍 、卜面 ， 卜字 交 叉 的 坝 端 分
别 安 装 川 号的 两 对 正 反 螺 旋 浆 和 电 机 ， 支 ｔｌ，心 安 装 飞行 控 制 计 算 机 年ＩＪ外 部 箭。 飞控 板 、机 找 传 感 器
实 现 轴 的 顺 时 针 、 逆 ［ｉ１ｆ针 转 Ｉｔ，ｊ。 将 四 旋 人 机 的
囵 界．１１ ２０１ ８．１，’＿
Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ＿信 号与 系统
运 动 状 态 分 类 ，基 本 包 括 ： 前 后 、侧 向 、 滚 转 、 俯 仰 、偏 航 、垂 直 运 动 。 三 、 四旋 翼 飞行 模 型 的建 立
关 键词 ：四旋 翼飞 行器 ；串 级 ＰＩＤ；仿 真 ；抗干 扰
中 图分 类号 ：ＴＰ１３
文 献标 识码 ：Ａ
文 章编 号 ：１００６ ８８３Ｘ（２０１８）１卜 ００３２—０６
收稿 日期 ：２０１ ８－０９－２８
基于 ＳＴＭ３２的 四旋 翼 飞行器旋 翼
干扰下 的串级 Ｐ Ｉ Ｄ控制
信 号 与 系统 ＿Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ＆Ｓｙｓｔｅｍ
注 ：国 家自然 科 学基 金资 助项 目 （Ｎ０：６１５７１０５３） 摘 要 ：随 着 四旋 翼 飞 行 器 的发 展 ，人 们对 其 抗 干 扰 能 力及 飞 行 控 制 要求 也 不 断 提 高 ，针 对 姿态 控
制 问题 进 行 了分 析 ，以 四 旋翼 飞 行器 为 研 究 对象 ，控 制 器 采用 ＳＴＭ３２Ｆ１ ０３ＲＥＴ６单 片机 ，惯性 测
量 元器 件 采用 ＭＰＵ６０５０等传 感 器 。通 过 一种 易 于 实现 的 串级 ＰｉＤ 控制 器 对其 姿 态 进行 控 制 ，利用 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进 行抗 干 扰仿 真 实验 ，通过 参 数整 定 ，最后 验 证 了较 于传 统 ＰＩＤ，串级 ＰＩＤ 可
以使 飞 行器 旋翼 的抗 干 扰能 力有 一定 的提 高 ，达 到良 好的 飞行 姿态 控 制效 果 。
小 殳尝 试 通 过 ·种 Ｊ 化 统 ＰＩＤ 改 逊 的 ｛＂绒 ＰＩＤ 控 制 系统 ，通 过 ＭＡＴＬＡＢ／ＳｉｍｕＩｉｎｋ仿 境 ， 定 参 数 时 Ｕ旋 仃 姿 念逐 步进 行优 化 控 制 。
二 、四 旋 翼 飞 行 器 飞 行 原 理 旋 翼 飞 行 器 要 赴 【ｆＩ 轴 机 架 、 旋 桨 、 无
通 过 研 究 飞 行 器 的 运 动 状 态 ， 可 以 将 其 运 动 状 态 概括 为 旋 转 、平 移运 动 方 式 的 组 合 。 ， ｚ］表 示 的是 以地 面 为参 考 系 ， 四 旋 翼 飞 行 器 质 心 的 具体 位 置 。 ，０， 则 是 表
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示 ［４１物 体 坐 标 系 与 坐 标 轴 之 间 的 夹 角 ， 而 其 绕 着 三 个 轴 的角 速 度 （ ， ， ）则 是 可 以 用 陀 螺 仪 来得 到 。将 三 者 之 间 的关 系 表 示 为：
盛 广润 高 国 伟 张 迎 雪
、
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一 、 引言
四
造 ＪＪ芟Ｊ， 于 受 外 界 １ 扰 ｆｊ 扰 动 影 响 的特 点 ， 这 样 也增 ＪＪｌ＇ｒ控 制 ｆ 的 难 度 ， 此 对 于 四 旋 翼 ｌ 亍器 控 制 系 统 ｝．ｆ｛Ｊ斡法 耍 求 也 逐 渐 提 高 。
ＳＴＭ３２出 白 于 ＳＴ 公 Ｉ ， 该款 嵌 入 式 处 理 器 备 ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ—Ｍ３内核 ． 仪 有 着 超 低 的 功 耗 表 现 ， 还 』｝仃 快 的 速 度 响 ， 州 时 还 可 以 同 种 传 感 器 之 间 保持 息 通 讯 。所 以基 １ ＳＴＭ３２的 行 ｆＩｊｌＪ系统
对 于 飞 行 器 的 飞 行 位 置 及 状 态 的确 定 ， 一 般 是 取 用 惯 性 和 物 体 坐 标 系 。 如 图 ２所 示 ， 前 者 坐 标 系 的 原 点 是 选 用 地 球 的 中 心 ， 选 用 的 惯 性 坐 标 系 和 物 体 坐 标 系 分 别 表 示 为 Ｅ（ＯＸＹＺ）、Ｂ（ｏｘｙｚ）［３１ｅ
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●
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‘ 卉 资源 仃 效 利 用 、 减 少 ，｝：发 成 本 的 优 势 。 ＩＩ 常 用 的 控 制 算 法 要 还 是 ＰＩＤ 控 制 算 法 ， 同
时 也还 反 演 控 制 和 滑 膜 制 方 法 ，但 是 反 演 控 制 方 法 的 怂 效 果 控 制 能 力 比较 蔗 ， 而 滑 膜 控 制 法 的 缺 点 赴 ｌ｛＿ｉ Ｊ：过 程 中 会 发 生 制 结 构 的 变 化 ， 导 致 ‘定 的 商 频 扰 动 而 使 得 控 制 效 果 变 筹 。 传 统 的 ＰＩＤ 算 法 小 具 缶较 的 抗 干 扰 能 力 。
和 电池 等 安 装 在 无 人 机 的 ·…Ｉ、『ｆ＿位置 。 如 １所 示 ， ｐＵ旋 烫 ｌ 尢 人 机 的 姿 态 渊 帑 ＿ｌ｝；＿Ｉ５址 … 阴
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才 可 以安 四轴 的 ［ｒｑ向 偏转 ．从 而 再 向 四 个 运 助 。 也 通 过 增 减 对 角 线 方 向 两 两 个 电机 的 转 迷 ， 以
