靳亚磊，李 虹，李昕涛

(太原科技大学电子信息工程学院，太原030024)

四旋翼飞行器是一种结构简单、易于操作，应用价值很高的微型飞行器。由于它还具备一定的负载能力和特殊的悬停功能，被广泛应用于军事侦查，民事航拍等方面［1］。由于它欠驱动、强耦合、非线性的特点，使得实际应用中控制器的设计难度很大。虽然近年来出现了很多智能控制算法，可以达到精确的控制效果，但需要较高的运算速度及时响应，现有的微处理器很难做到这一点，所以目前主流控制仍是PID控制算法。

文献［2］中硬件采用ARM Cortex-M3为内核的STM32F1系列芯片作为处理器，程序设计采用的是中断方式进行执行任务。硬件缺少扩展功能且程序缺乏系统性。文献［3］只运用了PD控制算法进行姿态控制，且使用两个单片机进行控制，造成硬件资源浪费。文献［4］使用分散PIDNN算法进行姿态控制，并采用ATMEGA系列单片机作为处理器，虽然有一定的控制效果，但是控制器的实现较复杂。本文结合已有的PID控制器，采用双闭环结构，进行串级PID控制设计，以四元数互补滤波方法进行实时姿态解算，以高性能的STM32F4系列芯片作为处理器，以时间片轮方式进行任务循环执行，最后通过电子调速器控制电机转速，达到实现姿态和高度控制的目的。

1 四旋翼飞行器飞行原理

四旋翼飞行器一般分为两种结构，“十字”和“X”型结构。本文以“X”型为例，如图1所示，机架呈对称结构，M1，M2，M3，M4为四个电机，分别安装在机架顶端，且相邻电机的转速相反，以此抵消旋翼转动时内部产生的陀螺效应，F1，F2，F3，F4是旋翼旋转产生向上的升力，通过改变四个电机的转速，可以实现飞行器如下多种飞行模式。……