基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制的设计与实现

四旋翼飞行器与传统的单桨直升机相比，其飞行原理简单，结构紧凑，单位体积所提供的升力大，且可以扭矩自平衡而不需要反扭桨。四旋翼飞行器只通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作，是一种六自由度的垂直起降机，非常适合在静态和准静态条件下飞行，近几年在军事和民用领域广泛应用。然而四旋翼飞行器是个具有4个输入量，6个输出量的欠驱动系统，控制器的设计要求高。

姿态解算是姿态参考系统的关键技术，算法的优劣直接决定了解算效率和系统的精度。目前姿态描述的主要方式有：欧拉角、方向余弦、四元素法。欧拉角物理意义明确，但存在“奇点”。方向余弦计算没有“奇点”，但三角函数运算量大，不适合实时运算。四元素法没有“奇点”，而且运算为一般代数运算，运算量小，方法简单，易于操作。采用四元素法进行姿态解算是理想的选择。

1、四旋翼飞行器工作原理

四旋翼飞行器在结构布局上有十字形、X形和H形。本文主要讨论X形布局，如图1所示。4个电机分别安装在对称结构的X形支架的4个顶点，电机1和3逆时针旋转，电机2和4顺时针旋转，当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。四旋翼飞行器在空间中有6个自由度（分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作），可通过调节4个电机的转速来实现控制。基本运动状态：垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动。

图1  四旋翼飞行器示意图

垂直运动：同相改变四个电机的输出功率，使总的拉力改变，便实现飞行器沿z轴的垂直运动。当升力等于自重时，飞行器便保持悬停状态。

俯仰运动和滚转运动：电机1、4的转速上升，电机2、3的转速下降。产生的不平衡力矩使机身绕x轴旋转，实现飞行器的俯仰运动。横滚运动与俯仰运动的原理相同。

偏航运动：四旋翼偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。四个旋翼对角线上的两个旋翼转动方向相同，当两条对角线上的电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩引起四旋翼转动，实现偏航运动。

前后运动和倾向运动：为实现水平面内运动，须在水平面内对飞行器施加一定的力。使飞行器做横滚或俯仰。飞行器发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平分量，实现飞行器的水平运动。