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摘 要： 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。
关键词： 四旋翼飞行器；姿态解算；控制设计
【中图分类号】 G875.1
【文献标识码】 B
【文章编号】 2236-1879（2017）15-0244-01
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。而且在一般姿态阶段流程中，取得的姿态参数与实际参数的误差表现也比较明显，若是以这类偏差性的参数完成姿态调控，依然会影响飞行器稳固飞行。因而，研究一种姿态控制优化算法来进行姿态的准确解算和控制，也是四旋翼飞行器系统设计的要点所在，应当值得重视
3 四旋翼飞行器姿態解算和控制的算法优化
3.1 自适应补偿滤波运算。
这类算法主要是基于自适应互补滤波算法完成相应的精确解算，同时将PID 管控装置作为飞行器飞行姿态稳固控制设备，主要的设计原理是以加速度计算精确的静止性能及航向参数补偿陀螺仪误差导致的姿态不稳定问题，同时采取自适应补偿滤波运算进行调整，保证姿态误差得以在动态运作过程中进行补偿，最后补偿参数则由PID管控设备调整后再次输入到遥感设备中，从而保证对机体姿态的管控。而且要保证能对整体算法进行有效推算，则需要带入导航及机体坐标系统的理念，自行适应互补滤波运算，同时针对补偿误差进行科学调控，保证机体姿态的精确运算，主要理念是以加速度测量设备与磁感应设备取得加速度参数及磁感应参数，将其结合姿态四元数求得补偿误差，而后者则以PID管控设备进行整体调整，然后再由自适应后补偿至陀螺仪输出的角速度，再用一阶龙格库塔更新算法更新四元数，取得该姿态下的四元数，同时取得出全新的姿态角参数。而且通过互补滤波能够把加速度设备和磁感器的参数补偿至陀螺仪上，同时针对各类角速度自适应调整比例参数，从而降低各类角速度条件下，传感器精度体现出的误差值，最后保证角速度参数的精确性，而且得到补偿处理的角速度参数，可以以一阶龙格库塔算法对四元数完成替换，最后直接根据替换好的四元数计算出全新的姿态角参数。
3.2 双闭环管控优化体系设计。
完成自适应补偿滤波运算后，我们可以了解到，导致飞行器姿态控制失衡的主要因素就是角速度的不确定性，特别是在解算流程中，作为输入参数的角速度不确定，会导致算得的欧拉角出现较大范围的变化，那么机体姿态表现也不明显，所以管控误差也会增加，而针对以上问题，则需要采用双闭环PID控制设备，其主要的效用体现在对各个姿态角单独选择双闭环管控，对比一般的PID管控设备，其主要的优势体现在及时、高效、准确确定姿态情况。而且在以上双闭环控制设备中，外置PID的效用是对姿态的有效管控，进而达到高效收敛，高效纠正的效用，但是也会导致机体出现更大的震动范围，所以需要保证K参数的科学性选择。而内置的PID调控则是基于角速度均衡条件下，降低外置调控的震动误差参数导致的影响。
4 结语
综合而言，对于一般的姿态解算管控存在的机体姿态解算误差以及难以稳固调控的问题，运用自适应补偿滤波运算配合双闭环管控优化体系可以有效解决以上问题，特别是不同转速范围内实现补偿参数的自动调整，有效地减小了不同角速度对传感器的精度影响； 从而保证以角速度和姿态角度为输入值的双闭环增稳 PID得以科学运作，对于飞行器飞行姿态的稳定也具有积极的意义。
参考文献
[1] 戴启浩，马国梁.四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究[J].计算技术与自动化.2015（02）
[2] 谭剑涛.多旋翼无人飞行器结构设计分析[J].民营科技.2016（05）
[3] 吕腾，魏宗康，郭子伟.多旋翼无人机的电机关键参数确定方法[J].导航与控制.2014（02）
[4] 吕腾，魏宗康.多叶片螺旋翼模型研究[J].导航与控制.2015（01）
[5] 陈飞.微型四旋翼飞行器硬件设计和控制[J].电子技术与软件工程.2017（12）
基金项目：贵州省教育厅青年科技人才成长项目：黔教合KY字[2016]294号
关键词： 四旋翼飞行器；姿态解算；控制设计
【中图分类号】 G875.1
【文献标识码】 B
【文章编号】 2236-1879（2017）15-0244-01
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。而且在一般姿态阶段流程中，取得的姿态参数与实际参数的误差表现也比较明显，若是以这类偏差性的参数完成姿态调控，依然会影响飞行器稳固飞行。因而，研究一种姿态控制优化算法来进行姿态的准确解算和控制，也是四旋翼飞行器系统设计的要点所在，应当值得重视
3 四旋翼飞行器姿態解算和控制的算法优化
3.1 自适应补偿滤波运算。
这类算法主要是基于自适应互补滤波算法完成相应的精确解算，同时将PID 管控装置作为飞行器飞行姿态稳固控制设备，主要的设计原理是以加速度计算精确的静止性能及航向参数补偿陀螺仪误差导致的姿态不稳定问题，同时采取自适应补偿滤波运算进行调整，保证姿态误差得以在动态运作过程中进行补偿，最后补偿参数则由PID管控设备调整后再次输入到遥感设备中，从而保证对机体姿态的管控。而且要保证能对整体算法进行有效推算，则需要带入导航及机体坐标系统的理念，自行适应互补滤波运算，同时针对补偿误差进行科学调控，保证机体姿态的精确运算，主要理念是以加速度测量设备与磁感应设备取得加速度参数及磁感应参数，将其结合姿态四元数求得补偿误差，而后者则以PID管控设备进行整体调整，然后再由自适应后补偿至陀螺仪输出的角速度，再用一阶龙格库塔更新算法更新四元数，取得该姿态下的四元数，同时取得出全新的姿态角参数。而且通过互补滤波能够把加速度设备和磁感器的参数补偿至陀螺仪上，同时针对各类角速度自适应调整比例参数，从而降低各类角速度条件下，传感器精度体现出的误差值，最后保证角速度参数的精确性，而且得到补偿处理的角速度参数，可以以一阶龙格库塔算法对四元数完成替换，最后直接根据替换好的四元数计算出全新的姿态角参数。
3.2 双闭环管控优化体系设计。
完成自适应补偿滤波运算后，我们可以了解到，导致飞行器姿态控制失衡的主要因素就是角速度的不确定性，特别是在解算流程中，作为输入参数的角速度不确定，会导致算得的欧拉角出现较大范围的变化，那么机体姿态表现也不明显，所以管控误差也会增加，而针对以上问题，则需要采用双闭环PID控制设备，其主要的效用体现在对各个姿态角单独选择双闭环管控，对比一般的PID管控设备，其主要的优势体现在及时、高效、准确确定姿态情况。而且在以上双闭环控制设备中，外置PID的效用是对姿态的有效管控，进而达到高效收敛，高效纠正的效用，但是也会导致机体出现更大的震动范围，所以需要保证K参数的科学性选择。而内置的PID调控则是基于角速度均衡条件下，降低外置调控的震动误差参数导致的影响。
4 结语
综合而言，对于一般的姿态解算管控存在的机体姿态解算误差以及难以稳固调控的问题，运用自适应补偿滤波运算配合双闭环管控优化体系可以有效解决以上问题，特别是不同转速范围内实现补偿参数的自动调整，有效地减小了不同角速度对传感器的精度影响； 从而保证以角速度和姿态角度为输入值的双闭环增稳 PID得以科学运作，对于飞行器飞行姿态的稳定也具有积极的意义。
参考文献
[1] 戴启浩，马国梁.四旋翼飞行器的自抗扰控制方法研究[J].计算技术与自动化.2015（02）
[2] 谭剑涛.多旋翼无人飞行器结构设计分析[J].民营科技.2016（05）
[3] 吕腾，魏宗康，郭子伟.多旋翼无人机的电机关键参数确定方法[J].导航与控制.2014（02）
[4] 吕腾，魏宗康.多叶片螺旋翼模型研究[J].导航与控制.2015（01）
[5] 陈飞.微型四旋翼飞行器硬件设计和控制[J].电子技术与软件工程.2017（12）
基金项目：贵州省教育厅青年科技人才成长项目：黔教合KY字[2016]294号