四轴飞行器姿态控制算法
PID算法在四旋翼飞行器上的应用
PID算法在四旋翼飞行器上的应用四旋翼飞行器是一种由四个电机驱动的无人机，它可以在水平和垂直方向上飞行和悬停。
PID控制算法是一种广泛应用于自然环境控制系统中的控制算法。
PID控制算法可以通过测量目标变量与实际变量之间的误差来创建一个控制策略，以使系统保持稳态，达到预定目标。
在四旋翼飞行器中，PID控制算法可以用来调节飞行器的姿态和高度，以保持飞行器在稳定的状态下飞行。
在四旋翼飞行器中，PID控制算法主要应用于飞行器的姿态和高度控制。
飞行器的姿态是指飞行器在空中的方向和倾斜程度。
姿态控制是通过四个电动机的不同的旋转速度来控制的。
高度控制是通过飞行器的俯仰角和升力来控制的。
因此，PID控制算法可以用来调整电动机的旋转速度和飞行器的俯仰角和高度，以保持飞行器在稳定的状态下飞行。
在四旋翼飞行器中，PID控制算法的基本原理是将控制量分解成三个部分：P部分、I 部分和D部分。
P部分用于根据误差来产生比例输出，I部分用于根据误差的积分来产生积分控制输出，D部分用于根据误差的差分来产生微分控制输出。
这三个部分的输出被加权后就形成了最终的控制信号。
在四旋翼飞行器中，P部分负责响应飞行器的姿态和高度误差。
I部分通过积分来消除稳态误差。
D部分负责响应变化的速度，以防止系统出现颤振。
通过调节这三个部分的参数，可以控制飞行器的响应速度和稳定性。
在进行PID控制时，需要选择合适的PID参数。
通常，这些参数是通过试验和调整来确定的。
首先，需要将PID参数设置为基本值，用于飞行器的控制。
然后，需要根据响应速度和稳定性的要求来调整PID参数。
这个过程需要不断的试验和调整，直到得到最佳的PID参数。
四轴PID控制算法详解(单环PID、串级PID)
正文开始：这篇文章分为三个部分：•PID原理普与•常用四轴的两种PID算法讲解(单环PID、串级PID)•如何做到垂直起飞、四轴飞行时为何会飘、如何做到脱控？PID原理普与1、对自动控制系统的基本要求：稳、准、快：稳定性（P和I降低系统稳定性，D提高系统稳定性）：在平衡状态下，系统受到某个干扰后，经过一段时间其被控量可以达到某一稳定状态；准确性（P和I提高稳态精度，D无作用）：系统处于稳态时，其稳态误差；快速性（P和D提高响应速度，I降低响应速度）：系统对动态响应的要求。
一般由过渡时间的长短来衡量。
2、稳定性：当系统处于平衡状态时，受到某一干扰作用后，如果系统输出能够恢复到原来的稳态值，那么系统就是稳定的；否则，系统不稳定。
3、动态特性（暂态特性，由于系统惯性引起）：系统突加给定量（或者负载突然变化）时，其系统输出的动态响应曲线。
延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和振荡次数。
通常：上升时间和峰值时间用来评价系统的响应速度；超调量用来评价系统的阻尼程度；调节时间同时反应响应速度和阻尼程度；4、稳态特性：在参考信号输出下，经过无穷时间，其系统输出与参考信号的误差。
影响因素：系统结构、参数和输入量的形式等5、比例（P）控制规律：具有P控制的系统，其稳态误差可通过P控制器的增益Kp来调整：Kp越大，稳态误差越小；反之，稳态误差越大。
但是Kp越大，其系统的稳定性会降低。
由上式可知，控制器的输出m(t)与输入误差信号e(t)成比例关系，偏差减小的速度取决于比例系数Kp：Kp越大，偏差减小的越快，但是很容易引起振荡（尤其是在前向通道中存在较大的时滞环节时）；Kp减小，发生振荡的可能性小，但是调节速度变慢。
单纯的P控制无法消除稳态误差，所以必须要引入积分I控制。
原因：（R为参考输入信号，Kv为开环增益）当参考输入信号R不为0时，其稳态误差只能趋近于0，不能等于0。
因为开环增益Kv不为0。
6 比例微分（PD）控制规律：可以反应输入信号的变化趋势，具有某种预见性，可为系统引进一个有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，而从提高系统的稳定性。
四轴飞行器控制原理简单介绍
四轴飞行器控制原理简单介绍1.姿态控制姿态控制是指控制四轴飞行器所处的空中姿态，包括横滚、俯仰和偏航。
横滚是指四轴飞行器以机体中心线为轴心向左或向右旋转；俯仰是指四轴飞行器以机体前后中心线为轴心向前或向后倾斜；偏航是指四轴飞行器以竖直轴为轴心旋转。
姿态控制可以通过四个电动马达间的配合来实现。
例如，当四轴飞行器需要向左旋转时，右侧的两个电动马达通过提高转速而左侧的两个电动马达通过降低转速，使得产生的升力不均衡，从而导致飞行器向左旋转；同样的原理，可以实现向右、向前和向后的倾斜，从而实现横滚和俯仰的控制。
偏航控制则是通过改变对角电动马达的转速来实现的。
2.高度控制高度控制是指控制四轴飞行器的飞行高度。
通常，四轴飞行器通过改变电动马达的转速来控制升力，从而控制飞行高度。
当需要升高时，四个电动马达的转速同时提高，产生更大的升力，使得飞行器上升；当需要下降时，四个电动马达的转速同时降低，减小升力，使得飞行器下降。
3.位置控制位置控制是指控制四轴飞行器在空中的位置，通常使用GPS、惯性导航系统（INS）和视觉系统来获取实时位置信息，并通过控制四个电动马达的转速来调整飞行器的位置。
位置控制通常采用反馈控制的方法，在测量到的当前位置与目标位置之间存在偏差时，通过调整电动马达的转速来减小偏差，并使飞行器逐渐趋向于目标位置。
综上所述，四轴飞行器的控制原理涉及到姿态控制、高度控制和位置控制三个方面。
通过控制四个电动马达的转速来实现姿态控制和高度控制，通过GPS、INS和视觉系统来获取位置信息，并通过反馈控制来调整飞行器的位置。
这些控制原理的运用使得四轴飞行器能够实现精准、稳定的飞行。
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。
四轴飞行器姿态控制算法
四轴飞行器姿态控制算法四轴飞行器姿态控制是指通过调整四个电机的转速，使得飞行器能够保持所需的姿态，例如平稳飞行、转弯、盘旋等。
姿态控制算法主要包括传感器采集、姿态估计和控制指令生成等几个部分。
以下将详细介绍四轴飞行器姿态控制的算法原理。
1.传感器采集：四轴飞行器通常会配备三个主要的传感器：加速度计、陀螺仪和磁力计。
加速度计用于测量飞行器的重力加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度，磁力计用于测量地磁场强度。
这些传感器的数据将用于后续的姿态估计和控制。
2.姿态估计：姿态估计是根据传感器提供的数据计算出飞行器的当前姿态角。
一种常用的姿态估计方法是互补滤波器。
互补滤波器将加速度计和陀螺仪的数据进行融合，通过加速度计估计出的姿态角和陀螺仪估计出的姿态角进行加权平均，从而得到更准确的姿态估计。
3.控制指令生成：姿态控制器的目标是生成适当的转速指令，使得飞行器能够达到所需的姿态。
在四轴飞行器中，姿态控制通常分为俯仰控制、滚转控制和偏航控制三个方向。
俯仰控制用于调整飞行器的前后倾斜角度，滚转控制用于调整飞行器的左右倾斜角度，偏航控制用于调整飞行器的旋转角度。
在控制指令生成中，通常会采用PID控制器。
PID控制器根据目标姿态角和当前姿态角的误差，计算出相应的控制指令。
PID控制器包括三个参数：比例项、积分项和微分项。
比例项用于快速响应误差，积分项用于消除稳态误差，微分项用于抑制系统的振荡。
通过将三个方向的控制指令进行线性叠加，得到最终的转速指令。
转速指令将被发送到四个电机，控制它们的转速，从而实现飞行器的姿态调整。
值得注意的是，四轴飞行器还需要考虑到动力学和非线性因素。
动力学因素包括电机的动态响应和旋转惯量的影响，通常会使用动态模型进行补偿。
非线性因素包括旋翼的非线性动力学和空气动力学特性的影响，通常会采用非线性控制器进行补偿。
综上所述，四轴飞行器姿态控制算法主要包括传感器采集、姿态估计和控制指令生成等几个部分。
（转）一种常见的四轴飞行器姿态解算方法分析
（转）一种常见的四轴飞行器姿态解算方法分析全国各地已经陆续开放低空管制，北京也将在2015年全面开放低空领域，这对低空飞行器将是一个十分重大的好消息!低空飞行器也将迎来一个新的发展春天。
实际上，近年四轴飞行器发展相当迅速，国内的航拍水平越来越高，顺丰及亚马逊已在尝试将无人机用于快递行业。
越来越多的人开始关注并研究四轴飞行器。
本文将分析一种常见的四轴飞行器姿态解算方法，Mahony的互补滤波法。
此法简单有效，希望能给学习四轴飞行器的朋友们带来帮助。
关于姿态解算和滤波的理论知识，推荐秦永元的两本书，一是《惯性导航》，目前已出到第二版了;二是《卡尔曼滤波与组合导航原理》。
程序中的理论基础，可在书中寻找。
下面开始进入正题：先定义Kp，Ki，以及halfT 。
Kp，Ki，控制加速度计修正陀螺仪积分姿态的速度halfT ，姿态解算时间的一半。
此处解算姿态速度为500HZ，因此halfT 为0.001#define Kp 2.0f#define Ki 0.002f#define halfT 0.001f初始化四元数float q0 = 1, q1 = 0, q2 = 0, q3 = 0;定义姿态解算误差的积分float exInt = 0, eyInt = 0, ezInt = 0;以下为姿态解算函数。
参数gx，gy，gz分别对应三个轴的角速度，单位是弧度/秒;参数ax，ay，az分别对应三个轴的加速度原始数据由于加速度的噪声较大，此处应采用滤波后的数据void IMUupdate(float gx, float gy, float gz, float ax, float ay, float az){float norm;float vx, vy, vz;float ex, ey, ez;将加速度的原始数据，归一化，得到单位加速度norm = sqrt(ax*ax + ay*ay + az*az);ax = ax / norm;ay = ay / norm;az = az / norm;把四元数换算成“方向余弦矩阵”中的第三列的三个元素。
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。
四旋翼飞行器的姿态解算及控制
四旋翼飞行器的姿态解算及控制时代的发展伴随着社会不断的变迁，也伴随着各行业的不断发展。
特别是随着信息技术的不断成熟和创新，更多复杂的、繁琐的行业都引入了智能化、远程遥感的相关技术，而四旋翼飞行器就是当前时代的一类科技产物，可以用于气象观测、航拍等多个方面，而研究其相应的设计流程以及对于以往设计问题的改革，也是当下研究的热点话题。
标签：四旋翼飞行器；姿态解算；控制设计0 引言对于姿态解算与飞行管控往往是四旋翼飞行器的设计关键点，而对于以往的四旋翼飞行器而言，通常会运用到捷联式惯性导航设计，但是往往会出现姿态漂移，而且各类条件下，飞行器的飞行状态并不接近，而且以往姿态解算控制方式往往无法达到机体姿态的准确解算与稳定管控。
而就此，笔者将通过本文，就四旋翼飞行器的姿态解算及控制方面入手，将进行具体的分析和研究。
1 四旋翼飞行器系统原理一般四旋翼飞行器组成主要是以X型机架为基础，飞行控制模块设置在机架核心处，而转动电机则设定在X型架的各个末端，有电动机直接启动螺旋桨转动，从而实现飞行器的上升起飞。
而且在同一条直线上的电机均属于相同方向的转动，这也意味着不处于同一直线的电机转动方向是相对的，这类设计主要是为了减少陀螺效应和空气动力扭矩效应产生的影响，也能避免飞行器在飞行过程中自我旋转，而且一般飞行器的姿态位置调控均是以所有电机运转速度快慢配合实现的。
主要是的系统设计方法是把传感器感知的原始参数以算法解算，然后取得机体运行的姿态参数，最后在进行整体性的姿态解算，而且需要参考遥感取得的相关参数，将其与当下姿态参数进行对比，算出控制设备需要输入的数据量，然后通过相应整理，整合为相应的管控命令，以调整电机运转速度，最后达到姿态调控的效果。
但是，传感器在采用MEMS器件时带来的零漂误差以及四旋翼飞行器其本身欠驱动等特性，也让机体姿态的解算和飞行控制成为整个设计的难点。
2 常规姿态解算和控制误差存在的问题表现运用常规姿态解算取得姿态角参数时，往往会因为本身数据的误差而导致姿态计算参数出现较大的偏移，若是将已经偏移的姿态参数作为一般PID的输入参数，以实现对四旋翼飞行器的姿态管控，往往会导致角速度出现骤变，最终导致最终机体姿态角度和口标角度的误差较大，飞行器飞行出现失衡问题。
四轴姿态检测和控制理论
二．四轴飞行器的姿态测量与控制
假设四轴为刚体，根据质点系动量矩定理， 角速度和角加速度由外力矩决定，通过控制四个 螺旋桨，可以产生需要的力矩。 首先对螺旋桨编号：第一象限的为0 号，然 后逆时针依次递增。同步增加0 号和1 号、减小2 号和3 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下， 提供x 轴的力矩；同步增加1 号和2 号、减小0 号 和3 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下， 提供y 轴的力矩；同步增加1 号和3 号、减小0 号 和2 号桨的功率，可以在不改变推力的情况下， 提供z 轴的力矩。
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二．四轴飞行器的姿态测量与控制
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二．四轴飞行器的姿态测量与控制
假设姿态差为小量，所以正弦值近似等 于角度值，但注意此处四元数内的角度值仅 为实际姿态差角度的一半，将这些值带入PID 控制其中就得到了姿态变化所对应的各轴转 矩。
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二．四轴飞行器的姿态测量与控制
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二．四轴飞行器的姿态测量与控制
四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究
四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究一、引言四轴飞行器是一种飞行机械，通过四个对称分布的旋翼作为动力驱动，能够实现各种姿态的飞行。
在日常生活中，四轴飞行器被广泛应用于飞行摄影、物流配送、农业植保等领域。
为了保证四轴飞行器的稳定性和精确控制，需要设计合适的控制系统以及姿态解算和控制算法。
二、四轴飞行器控制系统设计1. 框架设计四轴飞行器控制系统的框架一般包括硬件和软件两个部分。
硬件部分主要包括传感器模块、执行器模块以及通讯模块。
传感器模块用于获取飞行器的姿态信息，执行器模块用于产生控制信号，通讯模块用于与地面站进行数据传输。
软件部分主要包括姿态解算模块和控制算法模块。
2. 传感器模块传感器模块是四轴飞行器控制系统中非常重要的一部分，它提供了飞行器当前姿态信息的反馈。
一般而言，传感器模块包括陀螺仪、加速度计和磁力计。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量飞行器的加速度，磁力计用于测量飞行器所处的磁场。
通过这些传感器的数据，可以实现对飞行器的姿态和位置的估计。
3. 执行器模块执行器模块是四轴飞行器控制系统中的输出模块，它能够控制四个旋翼的转速，从而产生所需的推力和力矩。
一般而言，执行器模块包括电机和电调。
电机负责将电能转化为机械能，电调则控制电机的转速。
通过对四个电机的控制，可以实现对飞行器的姿态和位置的调整。
4. 通讯模块通讯模块是四轴飞行器控制系统中的数据传输模块，它负责与地面站进行通讯，并将传感器模块获取到的数据传输给地面站进行处理。
通讯模块一般采用无线通信方式，例如蓝牙、Wi-Fi等。
通过与地面站的通讯，可以实现对飞行器的遥控和数据监测。
5. 姿态解算模块姿态解算是四轴飞行器控制系统中的关键部分，它负责从传感器获取到的数据中解算出飞行器的当前姿态信息。
一般而言，姿态解算模块采用卡尔曼滤波算法对传感器数据进行融合处理，以提高姿态解算的精度和稳定性。
四翼飞行器姿态控制算法研究--叶树球
飞行器位置姿态图。
四翼飞行器主要硬件及电路组成一个基本的飞行器机体设计方案中,包括至少以下部分:主控制器、姿态传感器、电源电机以及通信接口,其系统结构图如下所示:由于四翼飞行器的传感器采样数据包含大量的噪声,使得控制系统对飞行器的姿态解算会出现很大的误差,为减小误差对控制系统的影响,需要对加速度、角加速度、地磁传感器的测量数据进行融合滤波处理才能得到更加有效的飞行器姿态信息。
本章首先介绍四翼飞行器姿态解算中常用的数据滤波算法包括,卡尔曼滤波和互补滤波,接着研究了利用四元数来对飞行器进行姿态解算的过程。
1.卡尔曼滤波卡尔曼滤波是一种递归(自回归)的滤波器,该滤波器的显著优点是高效率。
卡尔曼滤波的思想是釆用递归自更新的方法来估计出当前的状态,同时保证目标的真实状态与滤波估计出的状态的均方误差收敛值最小。
卡尔曼滤波器的过程由两个阶段组成,共由五个公式表示,它们分别是预测和更新,前阶段含两个公式,后阶段包含三个公式。
在前一阶段:滤波器需要对对象的当前状态作出评估,评估过程依照上一次对对象状态的估计;在后一阶段:滤波器需要对对象作出更加精确的评估,评估过程是通过优化当前状态的观测值来实现的。
如下式(3.1)和式(3.2)是预测阶段的公式公式中:Rk:对象测量噪声的协方差。
Kk:最优卡尔曼增益。
I:单位矩阵。
其中Zk是满足式(3.6)的对对象的一个测量值。
其中:Hk是对象的观测矩阵,Vk是均值为0的观测噪声矩阵。
公式(3.3)的作用是更新当前的最优卡尔曼增益;公式(3.4)的作用是根据当前卡尔曼增益对系统当前状态进行估计,也就是卡尔曼滤波的估计输出;公式(3.5)的作用是对滤波器当前误差的协方差进行更新。
这三个公式得出了当前的系统状态,并更新滤波器自身的状态,以便下一个卡尔曼滤波周期的正常进行。
2.互补滤波简单来说互补滤波就是把滤波器的两部分加起来成为一个滤波器,使其输出一个准确的线性估计在四翼飞行器中,由于加速度传感器的灵敏度高,其受外部的影响比较大,其测量值也容易被混入噪声,直接使用测量数据进行姿态解算会使得控制系统的输出误差非常大。
四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究
本次演示提出的基于嵌入式的四轴飞行器控制系统架构由以下几个部分组成： 飞行器主体、传感器模块、嵌入式控制器、无线通信模块以及电源模块。其中， 飞行器主体负责产生升力和重力；传感器模块包括加速度计、陀螺仪和气压计等， 用于实时监测飞行状态；嵌入式控制器作为核心控制单元，负责处理传感器数据 并生成控制指令；无线通信模块用于传输控制指令和飞行状态数据；电源模块为 整个系统提供能量。
3、设计高效的执行器，实现了电机转速的准确控制。
参考内容二
引言
四轴飞行器是一种具有广泛应用前景的无人机，其控制系统对于飞行器的稳 定性和精度具有至关重要的作用。随着科技的不断进步，嵌入式技术逐渐成为四 轴飞行器控制系统的重要发展方向。本次演示将围绕基于嵌入式的四轴飞行器控 制系统展开研究与设计进行详细阐述。
在设计四轴飞行器姿态控制系统时，我们需要明确设计理念。在本设计中， 我们的主要目标是通过优化控制算法和提高硬件性能，实现飞行器的高精度和稳 定控制。为了达到这个目标，我们将采用以下措施：
1、采用先进的控制算法，如PID控制器和卡尔曼滤波器等，以增加系统的稳 定性和精度；
2、选择高性能的传感器和微处理器，以提高传感器数据的准确性和处理速 度；
1、实现方法
在实现基于嵌入式的四轴飞行器控制系统过程中，我们首先完成了硬件设备 的选型和搭建，然后编写了控制算法和通信协议。在调试过程中，我们通过连接 PC与嵌入式控制器，利用上位机软件实时监测飞行状态和调整控制参数。
2、实验结果
通过多次实验，我们发现该控制系统能够实现稳定的飞行，并且具有较强的 抗干扰能力。在控制算法方面，PID控制算法表现出了良好的性能，能够快速跟 踪期望轨迹，减小误差。此外，我们还对该系统的通信协议进行了测试，结果表 明通信模块工作正常，数据传输稳定可靠。
四轴飞行器作品说明书
四轴飞行器作品说明书摘要四轴飞行器在各个领域应用广泛。
相比其他类型的飞行器，四轴飞行器硬件结构简单紧凑，而软件复杂。
本文介绍四轴飞行器的一个实现方案，软件算法，包括加速度计校正、姿态计算和姿态控制三部分。
校正加速度计采用最小二乘法。
计算姿态采用姿态插值法、需要比照这三种方法然后选出一种来应用。
控制姿态采用欧拉角控制或四元数控制。
关键词：四轴飞行器；姿态；控制目录1.引言 (1)2.飞行器的构成 (1)2.1.硬件构成 (1)2.1.1.机械构成 (1)2.1.2.电气构成 (3)2.2.软件构成 (3)2.2.1.上位机 (3)2.2.2.下位机........... . (4)3.飞行原理........... ................................ (4)3.1. 坐标系统 (4)3.2.姿态的表示 (5)3.3.动力学原理 (5)4.姿态测量........... ................................ (6)4.1.传感器校正 (6)4.1.1.加速度计和电子罗盘 (6)5.姿态控制 (6)5.1.欧拉角控制 (6)5.2.四元数控制 (7)6.姿态计算 (7)7.总结 (8)参考文献 (9)1.引言四轴飞行器最开始是由军方研发的一种新式飞行器。
随着MEMS传感器、单片机、电机和电池技术的发展和普及，四轴飞行器成为航模界的新锐力量。
到今天，四轴飞行器已经应用到各个领域，如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、广告宣传航拍、航模玩具等。
目前应用广泛的飞行器有：固定翼飞行器和单轴的直升机。
与固定翼飞行器相比，四轴飞行器机动性好，动作灵活，可以垂直起飞降落和悬停，缺点是续航时间短得多、飞行速度不快；而与单轴直升机比，四轴飞行器的机械简单，无需尾桨抵消反力矩，成本低。
本文就小型电动四轴飞行器，介绍四轴飞行器的一种实现方案，讲解四轴飞行器的原理和用到的算法，并对几种姿态算法进行比较。
四轴飞行器PID控制算法解析
任务总结之控制算法篇本飞行器主要采用的是PID控制算法。
那么下面先对PID控制算法做一些简要的介绍，下图为PID控制算法的控制框图图1.1所谓PID 指的是Proportion-Integral-Differential，翻译成中文是比例-积分-微分。
PID 控制率也可以解释为：误差的过去（积分项），现在（比例项）和将来（微分项）的加权和（线性组合）。
PID 控制器是工程实际中应用最为广泛的控制器。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握或者得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。
（1）比例（P）控制比例控制是使控制器的输出与输入误差信号e 成比例，仅有比例控制系统输出存在稳态误差。
（2）积分（I）控制此时控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项的误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项误差会增大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它使控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直至等于0.因此积分控制可以实现无静差控制。
（3）微分（D）控制微分控制中。
控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，控制系统存在较大滞后特性时，其输出的变化总是落后于误差的变化。
增加微分项，也就相当于它可以预测误差变化的趋势，提前抑制误差，避免被控变量的严重超调。
微分控制器能改善系统的动态特性。
由图1.1 可以写出模拟PID 控制器的数学表达式为：Kp 为比例系数；Ti 为积分时间常数，Td 为微分时间常数。
计算机控制是一种离散的采样控制，因此实际应用的是数字PID 控制器。
即将模拟PID 表达式离散化。
数字PID 位置型控制算法如下：其中T为采样时间对于电机速度的控制，我们采用的是位置型控制PI控制算法，能够达到我们所需要的调节效果。
四轴飞行器
四轴飞行器的前后、左右、顺时针和逆时针运动是通过姿态角（角度）来控制的，遥控器是用来设定目标姿态角的，只要测得的姿态与设定的目标姿态进行串级PID控制就可以使四轴飞行器稳定飞行了。
所以做四轴最重要、最关键的就是姿态角测量和串级PID控制。
姿态结算：测量姿态的传感器主要是三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计。
整个姿态描述的原理是：通过解算地理坐标系和机体坐标系的角度位置关系来得到姿态，由于传感器的测量误差（主要是陀螺仪的积分误差和振动引起的加速度计误差），导致测得的机体坐标系不准，得到的姿态也就会不准确。
因为地理坐标系中的四轴飞行器所受的重力和磁场是个常量，所以将地理坐标系中的重力向量和磁场向量转换到机体坐标系中，此时转换到机体坐标系的重力向量和磁场向量与机体坐标系中测出来的重力向量和磁场向量会有误差，只要消除此误差，就可以校正机体坐标系，进而得到准确的姿态。
消除误差的方法有卡尔曼滤波法、互补滤波法、姿态插值法等。
考虑到计算能力和现有的资料，本设计采用互补滤波法，达到的效果也比较好。
姿态解算算法步骤：姿态解算涉及到坐标的变换，还有互补滤波算法部分。
该算法的实现步骤为：姿态解算C语言算法具体实现：norm =Q_rsqrt(ax*ax + ay*ay + az*az); //加速度计数据归一化ax = ax*norm;ay = ay *norm;az = az *norm;vx = 2*(q1q3- q0q2); //转换成机体坐标系中的重力向量vy = 2*(q0q1+ q2q3);vz = q0q0 -q1q1 - q2q2 + q3q3 ;ex = (ay*vz -az*vy) ; //向量外积就是误差ey = (az*vx -ax*vz) ;ez = (ax*vy -ay*vx) ;exInt = exInt+ VariableParameter(ex) * ex * Ki;//对误差积分eyInt = eyInt+ VariableParameter(ey) * ey * Ki;ezInt = ezInt+ VariableParameter(ez) * ez * Ki;gx = gx + Kp* VariableParameter(ex) * ex + exInt; //补偿陀螺仪gy = gy + Kp* VariableParameter(ey) * ey + eyInt;gz = gz + Kp* VariableParameter(ez) * ez + ezInt;q0 = q0 +(-q1*gx - q2*gy - q3*gz)*halfT; //四元数的微分方程q1 = q1 +(q0*gx + q2*gz - q3*gy)*halfT;q2 = q2 +(q0*gy - q1*gz + q3*gx)*halfT;q3 = q3 +(q0*gz + q1*gy - q2*gx)*halfT;norm =Q_rsqrt(q0q0 + q1q1 + q2q2 + q3q3); //四元数归一化q0 = q0 *norm;q1 = q1 *norm;q2 = q2 *norm;q3 = q3 *norm;angle.pitch =asin(-2*q1q3 + 2*q0q2); //四元数转换成欧拉角angle.roll =atan2(2*q2q3 + 2*q0q1, -2*q1q1 - 2*q2q2 + 1);串级PID控制：姿态角PID+姿态角速度PID姿态角速度就是陀螺仪测量的数据，为了使四轴飞行器稳定飞行，应该使飞行器姿态稳定的时候，姿态速度也应为零，故采用角度和角速度串级PID控制器。
树莓派控制pixhawk四轴无人机的飞行控制的基本原理和算法。
树莓派控制pixhawk四轴无人机的飞行控制的基本
原理和算法。
树莓派控制Pixhawk四轴无人机的飞行控制的基本原理和算法如下：1. 基本原理：树莓派是一个小型的单板计算机，可以通过连接到Pixhawk飞控系统来控制四轴无人机的飞行。
Pixhawk是一款开源的飞控系统，通过接收和处理传感器数据、执行控制指令来实现飞行控制。
2. 算法：a) 姿态控制算法：四轴无人机的姿态控制通常采用PID（比例-积分-微分）控制器或者更高级的控制器，如LQR（线性二次调节器）或者MPC（模型预测控制）。
这些控制器根据当前的姿态误差和角速度误差，计算出合适的控制指令来控制四轴飞行器的姿态。
b) 位置控制算法：四轴无人机的位置控制可以通过PID控制器实现。
PID控制器根据当前位置误差、速度误差和加速度误差，计算出合适的控制指令来控制四轴飞行器的位置。
c) 轨迹规划算法：为了实现自动飞行，需要对四轴无人机的飞行轨迹进行规划。
常见的轨迹规划算法有分段直线规划、B样条曲线规划等。
这些算法可以根据飞行任务要求和环境限制，生成四轴飞行器的轨迹。
d) 避障算法：在无人机飞行过程中，可能会遇到各种障碍物。
为了保证飞行安全，需要进行障碍物的检测和避障。
常见的避障算法有视觉避障、激光避障、超声波避障等。
这些算法可以根据传感器数据和环境信息，动态调整飞行策略，避免与障碍物碰撞。
总结起来，树莓派通过与Pixhawk飞控系统的连接，实现了对四轴无人机飞行
控制的算法实现，包括姿态控制、位置控制、轨迹规划和避障等方面的算法。
这些算法综合运用，可以实现无人机的自主飞行和任务执行。
四轴PID控制算法详解
四轴PID控制算法详解一、单环PID控制算法单环PID控制算法是四轴PID控制算法的基础，也是最简单的一种控制算法。
它主要针对四旋翼无人机的姿态进行控制，即控制无人机的俯仰、横滚和偏航角。
PID控制器根据无人机的实际姿态与期望姿态之间的偏差，通过计算得到的控制量来调整无人机的姿态。
1.偏差计算首先，需要计算无人机的实际姿态与期望姿态之间的偏差。
实际姿态可以通过传感器获取，期望姿态可以通过遥控器或者飞行控制器设置。
2.PID控制计算PID控制器根据实际姿态与期望姿态的偏差，计算得到控制量。
PID控制器由比例环、积分环和微分环组成。
-比例环：根据偏差的大小，计算得到一个比例项。
比例项用来消除偏差，越大的偏差将得到越大的比例项输出，从而使无人机产生越大的控制力。
-积分环：根据偏差的变化情况，计算得到一个积分项。
积分项可以消除偏差的累积效应，即当比例项无法完全消除偏差时，积分项会逐渐增大，使得控制量产生更大的调整。
-微分环：根据偏差的变化速度，计算得到一个微分项。
微分项用来预测偏差的变化趋势，从而对控制量产生修正。
3.控制输出最后，将三个环的输出相加得到控制量，通过控制器输出给无人机的电机，从而实现对无人机姿态的控制。
二、串级PID控制算法串级PID控制算法是在单环PID控制算法的基础上进行优化得到的一种控制算法。
它主要针对四旋翼无人机的高度进行控制。
1.高度控制串级PID控制算法不仅包括控制无人机的姿态，还包括控制无人机的高度。
高度控制可以通过气压传感器获取无人机的实际高度，并通过遥控器或飞行控制器设置期望高度。
2.PID控制计算与单环PID控制算法类似，串级PID控制算法也需要计算偏差和控制量。
偏差包括姿态偏差和高度偏差。
-姿态偏差：计算实际姿态与期望姿态之间的偏差。
-高度偏差：计算实际高度与期望高度之间的偏差。
3.PID控制器结构串级PID控制器由两个PID控制器组成，一个姿态PID控制器和一个高度PID控制器。
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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拉角，四元数等来描述r和R的角位置关系。
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：
下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
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1 Q_ANGLE.Roll;</font></font></font>
比例项计算 比例项输出 = 比例系数P * 偏差
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?
1 <font style="color:rgb(51, 51, 51)"><font face="Roboto,"><font size="4">Proportion =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
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?
1 2 3 4 5 [/size]
[size=4]Motor[2] = (int16_t)(Thr - Pitch - Roll - Yaw ); //M3
Motor[0] = (int16_t)(Thr + Pitch + Roll - Yaw ); //M1
Motor[3] = (int16_t)(Thr - Pitch + Roll + Yaw ); //M4
Motor[1] = (int16_t)(Thr + Pitch - Roll + Yaw ); //M2
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
力
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。