摘要：随着近几年微电子技术的不断发展,四旋翼无人机取得突飞猛进的发展,同时四旋翼无人机因控制灵活、成本低廉等特点被广泛应用在航拍、遥感监测、灾后救灾、公安、消防、反恐、电影摄像、环境监测、快递派送等相关领域。由于四旋翼无人机是一个典型的非线性、强耦合、欠驱动和多输入多输出的复杂系统,使得四旋翼无人机控制系统成为无人机研究的难点。
关键词：串级PID控制算法 四旋翼无人机 轨迹跟踪 控制系统
四旋翼无人机是多旋翼无人机中的一种。它有4个转子，被放置在距离无人机质量中心等距的方形结构中。无人机通过调整电机转子转速来进行姿态位置控制，正是由于这种简单的结构设计，使其能够垂直升降、悬停及其灵活的机动性，被广泛用于城市交通监控、测绘、搜寻、救援和施工检查等应用中。四旋翼无人机由于在飞行过程中有许多不确定因素，具有复杂的空气动力学特性，使学者们在四旋翼无人机控制方法和控制器的设计等方面做了许多的研究。
一、PID控制算法的简介
PID控制算法具有控制原理简单，应用广泛而且灵活，鲁棒性强等特点，该算法适用于多种被控对象模型，是基于误差的反馈来实现消除误差的控制策略。前馈控制指通过输入的信号和被控对象的模型特征，设计前馈环节来正确对未来可能出现的问题进行估计，采取补偿措施，消除系统的输出偏差。在伺服系统中，前馈补偿策略常用来改善其控制系统的跟踪水平。若闭环系统连续，通过对前馈环节的设计，使前馈环节与被控对象的传递函数之积为1，可以实现输出对输入的完全跟踪。基于该思想Abdelhedil等人将其推广应用到了机械臂的控制器设计中，并取得了很好的跟踪效果。但四旋翼无人机的姿态回路中还存在着耦合及非线性等因素，针对这个问题，论文还采用了非线性补偿的策略。
二、四旋翼无人机的应用意义
最近几年来，多旋翼无人机应用涉及到了多个领域。在军事上，多旋翼无人机在情报获取、地面侦察以及近距离现场监控、空中火力精确打击、电子战以及中继通信等方面具有重要的应用价值[。在民用上，多旋翼无人机能够在自然灾害和人为灾难后获取第一手有效现场救援信，极大的方便了救援和搜索工作的开展，同时在高压电线及桥梁等重要基础设施的巡检和维护方面也发挥了重要的作用,可有效提高工作效率和降低人工作业的风险。区别于固定翼无人机，多旋翼无人机有如下优点：操控方式比较简单，并不需要特别的起飞跑道或者发射装置便能实现垂直起降，还能完成多种飞行动作(比如:倒飞和悬停等)。多旋翼无人机可以在较低的高度进行飞行，具有非常强的机动性，具有可以执行多种特殊任务的能力;结构比较简单，能灵活的进行控制，成本相对较低，螺旋桨小，安全性更好，在维护上比较方便;多旋翼无人机的体积较小，重量较轻，噪音较小，所以具有较好的隐蔽性能，适合多平台，多空间使用。作为多旋翼无人机的一种,四旋翼无人机应用很广泛。在机体结构上对称分布，四个旋翼十字交叉。通过四个旋翼转速的控制，四旋翼无人机不断调整机体的升力和转矩，从而实现机体的转动(滚转、偏航和俯仰)及位置的移动，很显然这种无人机在动力学上，此无人机系统是欠驱动。对比于单旋翼的无人机，这类无人机的旋翼可以使用较小的尺寸，飞行过程中可降低因为低碰到周围物体而导致机体坠毁的风险。正是因为四个旋翼在结构上具有对称性，所以这类无人机系统飞行过程相对更为稳定。由于升力由对称分布的四个旋翼产生，所以可以更好的实现空中盘旋飞行。不同于可变倾斜角的无人机，旋翼在机体上的位置相对固定，所以四旋翼无人机的基本结构与动力学相关特性相对简单。
三、四旋翼无人机的研究现状
国内对四旋翼无人机的研究起步相对较晚，相应的研究在近十几年才陆续进行，且研究主要集中在国内几所航空航天领域相关的高校。
国内外近几年在四旋翼无人机的研究上取得了一定的进步，使其在航拍、遥感测绘、地质勘测、快递投送、环境监测等方面取得了初步应用，但是目前国内外对四旋翼无人机控制系统的研究时通常都是在假定理想环境的前提条件下建立数学控制模型，采用数学模型仿真软件得出实验结果，该种实验方法虽然能够在一定程度上得到预期的实验结果,但是由于理想化得数学模型和实验环境使得得出的实验结果与真实环境存在差异,研究结论的可信度也大打折扣，且目前国内外对四旋翼无人机环境抵抗能力方面的研究也是屈指可数,本论文拟采用串级PID控制算法设计控制系统，采用数学软件对该算法的环境抗干扰能力进行仿真，最后在真实无人机上进行实际验证，为后续研究人员在微小型四旋翼无人机控制系统的研究提供参考。
四、基于串级PID控制算法的四旋翼无人机轨迹跟踪和控制系统设计
1.无人机的控制模式选择。在实际操作中,?APM控制飞行实际有两种模式，一种是基于飞行速度的控制，一种是基于飞行高度的控制。当基于速度控制时,如飞机未爬升到预定高度，飞控板将首先控制加大油门，飞机的速度提升，之后飞控将拉升降舵，导致高度提升。当上升到预定高度时，由于空速较高，升降舵依然继续拉升，同时油门降低，直到空速低于预定，升降舵才会被推升，飞机高度降低。降落时的状况与之相反。这种模式下，飞行较为安全，当发动机受到影响时，依然会根据速度控制降落。基于高度控制时，如飞机未爬升到预定高度，飞控板将会根据PID系统的计算，根据自身高度与目标高度计算出一个俯仰角，此时飞机升降舵拉升，飞机向目标高度飞行。由于飞机高度的变化，空速不可避免的会有变化，于是这时油门控制使飞机的空速接近目标空速，既当速度较快时减少油门，速度叫较慢时加大油门。这种模式下，飞机控制较为灵活，对高度的控制更为精准。在实际操作中，由于高度控制多次出现翻机降落的情况，我们最终的采用了速度控制方式。在速度控制的模式下，无人机的飞行姿态相比地面站的指令有所滞后，但飞行平稳，操作简易。
2.无人机的图像接收。在机载设备.上，采用专用的视频采集、图像压缩和无线传输系统，尽量获得良好的信号。系统主要分为航模系统(机载端)和地面系统(地面接收端)两部分,航模系统要求采集装置安装在无人机航模机身上，完成视频采集、图像压缩，以PZP的方式用数字传输的方式完成图像的无线传输。地面系统在地面上利用显示屏为主体，配合无线数据接受装置完成视频的接受、解压缩、保存和显示工作。实测中，四旋翼无人机的航拍图像清晰，画面流畅，显示了实际景物，达到了预期效果。
3.控制器设计。根据以上分析对系统设计串级PID控制器，内回路为姿态控制，外回路为位置控制。线性化数学模型，在实际飞行中俯仰角θ、滚转角φ，角速度矢量ωB比较小。假设在飞行中偏航角ψ=ψ0保持不变，其中ψ0为初始偏航角。内回路：姿态控制回路，在PID控制器中，比例和积分能够提高稳态精度，但积分环节的加入降低了系统稳定性和响应速度，系统很容易发散。微分不但能够提高系统稳定性，而且能够提高系统响应速度。因此，内回路设计PD控制器对无人机进行姿态控制。外回路：位置控制回路，系统输入为期望位置量，经过外环控制器转换为期望的姿态角，作为内环的输入。搭建系统仿真控制回路，系统仿真结构包括：位置控制、姿态控制、电机动力学模型、无人机动力学模型、IMU和Kalman(传感器建模与滤波器设计，包括陀螺仪、加速度计、磁罗盘、气压计，考虑传感器在测量过程中的噪声与漂移，设计卡尔曼滤波器，输出准确的位置和姿态信息，使仿真更加真实可靠)。
五、总结
基于串级PID算法的四旋翼无人机的设计，实现了在根据传感器导入数据后可以自动输出位置信息与系统参数状态，数据连接稳定可靠。应用小型地面站即可实现无人机自动平稳飞行、轨迹跟踪、实时航拍监控，还能通过手机电台，实现自由航点的设定与即时GPS模块采集无人机位置数据，使四旋翼无人机的作用更加全面。四旋翼无人机的自由航点设定对于现有的大型地面站做了很有效的补充，进一步扩大了小型无人机的应用范围。
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