新型四旋翼飞行器设计与制作

【摘 要】本文针对四旋翼飞行器具有非线性、强耦合性、多输入的欠驱动系统的特点，通过动力性力学模型的建立，提出PSO和遗传算法，优化PID控制参数，经过硬件电路和软件的设计，研制出既能精确控制飞行器姿态，又具有较强抗干扰和环境自适应能力的控制器，飞行试验结果表明，通过遗传算法优化在实际飞行中达到了很好的效果。

【关键词】硬件设计;PID控制;软件设计

0 引言

四旋翼飞行器能够自由悬停和垂直起降，结构简单，易于控制，这些优势决定了其具有广泛的应用领域，在民用，医疗，军事等领域都有着无限的潜力[1]。然而，作为一个MIMO非线性系统，四旋翼飞行器输入变量与输出变量之间的耦合作用、时变非线性的动力学特征、系统本身的不确定性及外部的干扰等的引入，使得系统的控制问题变得十分复杂。如何能够设计出有足够的飞行动力并且具有良好稳定性的控制系统，是四旋翼飞行器如今面临的主要问题，这也使得强大而又易于控制的发动机和控制飞行器协调工作的控制系统成为四旋翼飞行器设计的关键。

1 具体设计内容

（2）结合四旋翼飞行器的硬件结构，进行软件编程部分的工作。按照四旋翼飞行器的飞行原理和控制特性进行系统飞行控制主程序以及各模块软件编程。

（3）对四旋翼飞行器系统的控制方法进行研究，根据飞行原理进行动力学建模，并完成系统控制器的设计。

（4）系统调试和实验结果分析。首先对系统的各个模块进行相关调试和检测，然后组装模型，进行四旋翼飞行器实物系统的飞行实验，验证理论设计方案的合理性。

2 硬件设计

整个系统硬件部分根据模块化思想进行设计，结构框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

从上图可以看出整个系统主要包含的模块有遥控器信号捕捉模块、IMU（姿态测量模块）、PID控制器模块[3]、PWM输出模块、IIC模块和USART（无线串口）模块。

3 软件设计

本系统软件开发环境是IAR Embedded Workbench IDE for ARM[4]，这个环境具有高度优化的 IAR AVR C/C++编译器;一个强大的编辑器;一个工程管理器;一个具有世界先进水平的高级语言调试器。使用户在开发新的项目时也能在所熟悉的开发环境中进行。一般基于ARM开发系统用的开发环境有两个，一个就是IAR，另外一个是MDK，明显后者在编译的时候速度很慢，而且调试环境前者比后者简单且容易直观，所以选择前者作为开发环境。图2是整个系统的软件流程。

图2 飞控系统整体软件流程图

图3 飞行测试

表1 飞行测试数据

4 结论

本文对实验室四旋翼飞行器进行建模，通过改进后的遗传算法优化PID参数，仿真实验证明达到稳定状态快，精度高的特点，相比同类文献有非常明显的优势，通过查阅其它文献，一般达到稳定时间在1S多，而本算法优化的PID参数，达到稳定时间在0.1S左右，提高了10倍。为了验证仿真的效果，实验室飞行器通过多次试飞，测试数据表明，具有较好的鲁棒性和良好的控制效果。证明了本文基于遗传算法的PID参数的优化是有效的。

【参考文献】

[3]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京：电子工业出版社，2012.

[4]Abhijzt Das，Kamesh Subbarao，Frank Lewis.Dynamic inversion of quadrotor with zero-dynamics stabilization[C]//IEEE Multi-conference on Systems and Control.2008：1100-1191.

[5]BOUABDALLAH S，SIEGWRT R.Design and control of quadrotors with application to autonomous flying[D].EPFL，2006.