四轴飞行器组成部分，四轴飞行器的结构与基本飞行原理

很多朋友对四轴飞行器组成部分，四轴飞行器的结构与基本飞行原理不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

四轴飞行器是微型飞机的一种。与固定翼飞机相比，其方向控制灵活，抗干扰能力强，飞行稳定，可承载一定的载荷，并具有悬停功能，因此可用于航拍。监视、侦查等功能，在军事和民用领域具有广阔的应用前景。四轴飞行器的关键技术在于控制策略。

当智能控制算法运行复杂的浮点运算和矩阵运算时，微处理器的计算能力有限，难以满足飞行控制的实时要求；而PID控制简单、易于实现、技术成熟，因此目前主流的控制策略主要围绕传统PID控制。

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四轴飞行器的结构和基本飞行原理

四轴飞行器结构：主要由一块主控板和四个纵横交错结构的电子调速器、电机、螺旋桨组成。电机由电子调速器控制。主控板主要负责计算当前飞行姿态并控制电子设备。调整功能。以交叉飞行模式为例，1号旋翼为机头，1、3旋翼逆时针旋转，2、4旋翼顺时针旋转，如图1所示。

图1 四轴飞行器结构图

参考飞行状态表1改变电机转速。由于四个电机的速度不同，它们与水平面倾斜一定的角度，如图1所示。四个电机产生的合力分解为向上的升力和向前的分力。当重力和升力相等时，前向分量驱动四轴飞行器沿倾斜角度方向水平飞行。

1/空间三轴欧拉角分为俯仰角、横滚角和航向角；

2/当倾斜角度为俯仰角时，向前或向后飞行；

3/当倾斜角度为横滚角度时，向左或向右飞行；

倾斜航向角时，它会向左或向右旋转。左（右）旋转是由于两个顺时针电机产生的反作用扭矩之和不等于两个逆时针电机产生的反作用扭矩之和，即它们不能相互抵消。本体在反作用力矩的作用下绕z轴旋转。

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态度解决方案

四轴飞行器通过姿态计算来计算空间中的三轴欧拉角。结构框架如图2所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，磁传感器采样三轴地磁场值。对陀螺仪、加速度传感器、磁传感器采样的数据进行校准。经过滤波校正后，得到三轴欧拉角。陀螺仪和加速度传感器采用MPU6050芯片，磁传感器采用HMC5883L芯片，采用IIC总线与主控板通信。

图2 Attitude解决方案结构图

由于传感器存在元件误差，使用前需要进行校准。当陀螺仪静止时，角速度为0；但实际上，由于设备误差不为0，因此可以在静止状态下采样500次数据，然后进行平均，得到偏移量，校准陀螺仪数据；加速度传感器可以根据静止状态下三轴重力加速度平方和的平方根，即为重力加速度的标定方程。采用最小二乘法计算校准偏移值和误差值进行校准。对于磁传感器校准，可将设备放置在桌面上旋转一次，找出最小值和最大值，并通过电子罗盘修正计算公式计算出校准偏移和误差值。由于陀螺仪在长时间采集角速度时会出现漂移，因此需要利用加速度传感器和磁传感器的值进行校正。

将测量的加速度矢量、测量的磁场矢量和参考矢量进行叉积并将它们相加。式（1）中：ex、ey、ez 为两个叉积之和，ax、ay、az 为加速度测量矢量，mx、my、mz 为磁场测量矢量，axref、ayref， azref 是加速度的参考矢量，mxref、myref、mzref 是磁场的参考矢量。通过实时四元数值和该测量值计算参考向量。然后用叉积来修正角速度漂移值：

式(2)中，x(t)、y(t)、z(t)为角速度，kpex(t)为比例项修正量。

对于积分修正项，通过二阶Pica算法将修正后的角速度转化为四元公式，如(3)

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高度计算

高度计算是根据气压传感器采集到的大气压力值计算出来的。对气压传感器采集值进行修正后，通过二阶温度补偿得到准确的大气压值。最后，将气压转换为高度。海拔高度按公式（6）计算。实际高度CurrentPressure 为当前气压值，StartPressure 为起飞前的气压值。气压传感器采用MS5611芯片，集成了温度传感器和气压传感器，采用IIC总线与主控板通信。

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PID控制：双闭环PID控制

四轴飞行器正常飞行时，突然遇到外力（风等）或磁场干扰，使加速度传感器或磁传感器采集的数据失真，导致姿态计算出的欧拉角出现误差。当仅使用单环角度时，系统难以稳定运行，因此可以添加角速度作为内环。角速度由陀螺仪采集并输出。收藏价值一般不受外界影响。抗干扰能力强，受到外界干扰时角速度变化灵敏。同理，高度圈内的气压传感器也会受到外界的干扰。 z轴加速环的引入可以有效避免外界干扰的影响，增强系统的鲁棒性。四轴飞行器双闭环PID控制，如图3、图4所示。以角度作为外环，以角速度作为内环进行姿态PID控制；当需要固定高度时，以高度作为外环，以z轴加速度作为内环进行高度PID控制。其中，PID输出为油门值，油门给定电子调速器的值，电子调速器控制电机改变三轴空间的欧拉角和高度。

图3 姿态PID控制总体流程图

图4 高度PID控制总体流程图

PID控制算法采用位置数字PID控制：

(7)式中，u(t)为PID输出值，e(t)为期望值与实际值之差，

是积分量，

是微分分量，kp、ki、kd。是比例系数、积分系数和微分系数。将积分量和微分量离散化后，得到PID计算公式

式(8)中，T为更新时间。基于式(8)，姿态PID控制算法

式（9）为角度环PID计算公式，式（10）为角速度环PID计算公式。 AngelPIDOut(t)为角度环PID输出，AngelRatePIDOut(t)为角速度环PID输出，e(t)=期望角度-实际角度，e'(t)=AngelPIDOut(t)-实际角速度。同样，高度PID控制算法：

式(11)为海拔环PID计算公式，式(12)为加速度环PID计算公式，AltitudePIDOut(t)为海拔环PID输出，AcceleratePIDOut(t)为加速度环PID输出。 e(t)=期望高度-实际高度，e'(t)=AltitudePIDOut(t)-(z轴加速度-重力加速度值)。

以上知识分享希望能够帮助到大家！