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[摘 要]四旋翼飞行器在飞行控制的过程中具有控制成本高性能不稳定的特点。本文展开了对四旋翼飞行器飞行姿态控制系统的研究。对四旋翼的英语前景进行了分析，对于四旋翼飞行姿态控制系统进行了简单的介绍，对于控制器的设计过程进行了阐述，介绍了参考模型设计以及反馈回路设计等过程，最后利用新设计的四旋翼姿态控制系统进行了飞行测试实验，实验表明四旋翼姿态控制系统能够较好的保障四旋翼飞行过程中的平衡和稳定性。
[关键词]四旋翼飞行器 姿态控制系统 控制器 参考模型 反馈回路
中图分类号：R12.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0328-01
1、引言
在近几十年以来，全世界范围内的各种人为的以及自然的灾害频发。灾害发生以后由于交通受到阻断，通信受到破坏所以灾区内部的真实客观情况无法及时的传递出来，这给救灾工作带来了很大的麻烦。小型的飞行器的出现有效的解决了这一问题。小型飞行器其飞行成本较低，飞行高度较低可以较好的拍摄人们不能够进入灾害区域的具体状况。并且微型的四旋翼飞行器无人驾驶减少了人身伤害的可能性。所以在实际的抗震救灾的过程中四旋翼飞行器得到了非常广泛的应用。不仅仅局限于抗震救灾，四旋翼飞行器在监测天气以及低空的侦查和较轻货物的运输过程中都发挥了巨大的作用。并且目前很多快递公司展开的自动送货以及自动送餐服务该飞行器都得到了广泛的应用，从四旋翼飞行器的应用来看，其具有非常广阔的发展前景。
2、被控对象
本文所研究的对象为四旋翼飞行器，四旋翼的整体是利用碳纤维材料制成，其重量较小但是具有一定的强度。飞行器上配置了4个直流电机。能够持续飞行40分钟的时间。其主要的构成部分有机身、电机和电机驱动、主控设备和通讯设备等。
3、姿态模型
四旋翼飞行器具有6个自由度，并且耦合性较强，是一种非线性的多输入以及多输出的系统。由于四旋翼飞行器在飞行的过程中其姿态的角度可调整性是不大的，所以可以将四旋翼飞行器的6个自由度看作是单独的输入和输出系统来进行控制器的设计。由于四旋翼在设计的过程中采用了十字对称的结构，所以对于其偏航的控制相对来说比较简单，在控制设计的过程中实际忽略了转滚角。在忽略了姿态角度之间的耦合之后，姿态和转矩之间的非线性关系就可以近似看作为线性关系。并且可以得到如下的关系：
在上述公式当中，为四旋翼动力系统的转矩，相应的转动惯量和姿态角度分别为和，转矩是由两台直流电机之间的转速之差得到的，对上述公式做拉普拉斯变换，并且在认为该系统为一阶惯性系统的前提下，那么由电机的转速转化为姿态角度的传递函数如下：
在四旋翼控制系统中，飞行器的姿态控制角度可以通过加速传感器以及陀螺仪所返回的参数来得到，加速传感器可以得到重力加速度以及动加速度等，姿态控制角度和上述两个参数之间的关系可以由以下公式得到：
并且由于空气阻力的存在，假设空气阻力和四旋翼飞行器的运动速度具有正比的关系，那么上述公式就可以变为如下的形式：
然后对该关系做拉普拉斯变换，就可以得到姿态控制角度和重力加速度以及动加速度之间的关系的传递函数。传递函数如下所示：
然后通过上述公式就可以得到姿态控制角度和加速度之间关系的系统。在该系统中可以将角加速度以及角速度作为系统的输出变量也就是控制变量，然后以角加速度和叫毒素以及角度和速度作为该控制系统的状态变量，那么四旋翼飞行器姿态控制系统的方程就可以得到，如下所示：
接着通过对于系统进行飞行参数的拟合可以求得控制系统中的参数，通过对于飞行过程中的输入数据和仿真实验的结果进行分析发现，实验的得到的曲线和仿真得到的曲线具有较高的相似程度，所以该模型是基本准确的。
4、控制器设计
接着是系统的控制器的设计过程，首先根据模型可以对理想的轨迹模型进行适当的规划，然后通过规划来对控制器进行设计，使得状态变量和理想变量支架的差距能够尽量缩小，在状态空间设计的过程系统的状态模型如下所示：
然后通过控制器的仿真实验来获得上述模型的各个参数，通过对系统的正弦响应进计算可以知道该参数的选择使得系统的输出和状态变量的状态是较为理想的。
为实现系统具有跟踪输入参数变化的功能，可以引入一个状态变量来对系统进行反馈回路的设计如下：
通过四旋翼飞行器上的传感器以及相应的陀螺仪可以获得系统的输入参数，然后通过卡尔曼滤波来对姿态角度和系统其他无法测量的状态变量进行估计。
5、实验结果分析
为了测试四旋翼飞行姿态控制系统对于稳定飞行姿态的作用，本文采用该姿态控制系统对于四旋翼飞行器做了如下方面的实验研究包括悬停实验研究，目标的跟踪性能以及稳定定测试。首先在悬停试验中飞行器基本能够保持稳定能够将姿态角度控制在正负5度的范围以内达到了预期的效果。本文通过对控制的曲线和四旋翼飞行器实际飞行的曲线进行对比发现二者的轨迹是基本吻合的所以系统具有较好的跟踪的性能。当飞行器负载有一定重量的重物的时候，当飞行器的模型发生变化时，控制器能够较好的跟踪设定的目的值，所以系统具备较好的稳定性能。
结语
随着四旋翼飞行器越来越普及的应用，四旋翼所具有的飞行姿态难以控制以及极不稳定的缺点展现出来，具备较好的稳定性的四旋翼普遍成本造价较高，所以本文展开了对于飞行器控制系统的研究，对于四旋翼飞行器的姿态控制系统进行了设计，通过实验新控制系统能够较好的保持四旋翼飞行器的稳定性。随着新的技术的应用如图像处理技术以及模式识别技术等，飞行器姿态控制系统正在朝着多方法多参数的综合控制系统方向发展。
参考文献
[1] 白永强，刘昊，石宗英，钟宜生.四旋翼无人直升机鲁棒飞行控制[J].机器人.2012（05）.
[2] 陈小龙，唐强，车军，刘林.基于人工视觉的四旋翼飞行器室内定位与控制[J].兵工自动化.2012（05）.
作者简介
周家强（1992-），性别：男，籍贯：陕西省汉中市，工作单位：西安文理学院，学历：本科，职称：学生，研究方向：自动化
贺恬（1992-），性别：男，籍贯：陕西省榆林市清涧，工作单位：西安文理学院，学历：本科，职称：学生，研究方向：自动化
[关键词]四旋翼飞行器 姿态控制系统 控制器 参考模型 反馈回路
中图分类号：R12.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）25-0328-01
1、引言
在近几十年以来，全世界范围内的各种人为的以及自然的灾害频发。灾害发生以后由于交通受到阻断，通信受到破坏所以灾区内部的真实客观情况无法及时的传递出来，这给救灾工作带来了很大的麻烦。小型的飞行器的出现有效的解决了这一问题。小型飞行器其飞行成本较低，飞行高度较低可以较好的拍摄人们不能够进入灾害区域的具体状况。并且微型的四旋翼飞行器无人驾驶减少了人身伤害的可能性。所以在实际的抗震救灾的过程中四旋翼飞行器得到了非常广泛的应用。不仅仅局限于抗震救灾，四旋翼飞行器在监测天气以及低空的侦查和较轻货物的运输过程中都发挥了巨大的作用。并且目前很多快递公司展开的自动送货以及自动送餐服务该飞行器都得到了广泛的应用，从四旋翼飞行器的应用来看，其具有非常广阔的发展前景。
2、被控对象
本文所研究的对象为四旋翼飞行器，四旋翼的整体是利用碳纤维材料制成，其重量较小但是具有一定的强度。飞行器上配置了4个直流电机。能够持续飞行40分钟的时间。其主要的构成部分有机身、电机和电机驱动、主控设备和通讯设备等。
3、姿态模型
四旋翼飞行器具有6个自由度，并且耦合性较强，是一种非线性的多输入以及多输出的系统。由于四旋翼飞行器在飞行的过程中其姿态的角度可调整性是不大的，所以可以将四旋翼飞行器的6个自由度看作是单独的输入和输出系统来进行控制器的设计。由于四旋翼在设计的过程中采用了十字对称的结构，所以对于其偏航的控制相对来说比较简单，在控制设计的过程中实际忽略了转滚角。在忽略了姿态角度之间的耦合之后，姿态和转矩之间的非线性关系就可以近似看作为线性关系。并且可以得到如下的关系：
在上述公式当中，为四旋翼动力系统的转矩，相应的转动惯量和姿态角度分别为和，转矩是由两台直流电机之间的转速之差得到的，对上述公式做拉普拉斯变换，并且在认为该系统为一阶惯性系统的前提下，那么由电机的转速转化为姿态角度的传递函数如下：
在四旋翼控制系统中，飞行器的姿态控制角度可以通过加速传感器以及陀螺仪所返回的参数来得到，加速传感器可以得到重力加速度以及动加速度等，姿态控制角度和上述两个参数之间的关系可以由以下公式得到：
并且由于空气阻力的存在，假设空气阻力和四旋翼飞行器的运动速度具有正比的关系，那么上述公式就可以变为如下的形式：
然后对该关系做拉普拉斯变换，就可以得到姿态控制角度和重力加速度以及动加速度之间的关系的传递函数。传递函数如下所示：
然后通过上述公式就可以得到姿态控制角度和加速度之间关系的系统。在该系统中可以将角加速度以及角速度作为系统的输出变量也就是控制变量，然后以角加速度和叫毒素以及角度和速度作为该控制系统的状态变量，那么四旋翼飞行器姿态控制系统的方程就可以得到，如下所示：
接着通过对于系统进行飞行参数的拟合可以求得控制系统中的参数，通过对于飞行过程中的输入数据和仿真实验的结果进行分析发现，实验的得到的曲线和仿真得到的曲线具有较高的相似程度，所以该模型是基本准确的。
4、控制器设计
接着是系统的控制器的设计过程，首先根据模型可以对理想的轨迹模型进行适当的规划，然后通过规划来对控制器进行设计，使得状态变量和理想变量支架的差距能够尽量缩小，在状态空间设计的过程系统的状态模型如下所示：
然后通过控制器的仿真实验来获得上述模型的各个参数，通过对系统的正弦响应进计算可以知道该参数的选择使得系统的输出和状态变量的状态是较为理想的。
为实现系统具有跟踪输入参数变化的功能，可以引入一个状态变量来对系统进行反馈回路的设计如下：
通过四旋翼飞行器上的传感器以及相应的陀螺仪可以获得系统的输入参数，然后通过卡尔曼滤波来对姿态角度和系统其他无法测量的状态变量进行估计。
5、实验结果分析
为了测试四旋翼飞行姿态控制系统对于稳定飞行姿态的作用，本文采用该姿态控制系统对于四旋翼飞行器做了如下方面的实验研究包括悬停实验研究，目标的跟踪性能以及稳定定测试。首先在悬停试验中飞行器基本能够保持稳定能够将姿态角度控制在正负5度的范围以内达到了预期的效果。本文通过对控制的曲线和四旋翼飞行器实际飞行的曲线进行对比发现二者的轨迹是基本吻合的所以系统具有较好的跟踪的性能。当飞行器负载有一定重量的重物的时候，当飞行器的模型发生变化时，控制器能够较好的跟踪设定的目的值，所以系统具备较好的稳定性能。
结语
随着四旋翼飞行器越来越普及的应用，四旋翼所具有的飞行姿态难以控制以及极不稳定的缺点展现出来，具备较好的稳定性的四旋翼普遍成本造价较高，所以本文展开了对于飞行器控制系统的研究，对于四旋翼飞行器的姿态控制系统进行了设计，通过实验新控制系统能够较好的保持四旋翼飞行器的稳定性。随着新的技术的应用如图像处理技术以及模式识别技术等，飞行器姿态控制系统正在朝着多方法多参数的综合控制系统方向发展。
参考文献
[1] 白永强，刘昊，石宗英，钟宜生.四旋翼无人直升机鲁棒飞行控制[J].机器人.2012（05）.
[2] 陈小龙，唐强，车军，刘林.基于人工视觉的四旋翼飞行器室内定位与控制[J].兵工自动化.2012（05）.
作者简介
周家强（1992-），性别：男，籍贯：陕西省汉中市，工作单位：西安文理学院，学历：本科，职称：学生，研究方向：自动化
贺恬（1992-），性别：男，籍贯：陕西省榆林市清涧，工作单位：西安文理学院，学历：本科，职称：学生，研究方向：自动化