张立

（河南工业贸易职业学院，河南 郑州450000）

1 概述

作为可以在空中自主飞行的飞行器，四旋翼无人机通过接受来自地面站的控制信息完成各种飞行动作。近年来微电子技术以及控制理论的成熟为四旋翼无人机的发展提供了技术基础，越来越多的科研人员开始展开了对四旋翼无人机的研究，并且在很多关键技术上取得了突破。目前针对四旋翼无人机控制系统的设计主要有PID 控制算法、反步控制算法、滑模控制算法、LQR 控制算法、自适应控制算法等。本文首先基于运动学和动力学的知识建立四旋翼无人机的数学模型，然后基于串级PID 控制算法为四旋翼无人机设计控制器，最后利用实验飞行平台以及MATLAB 仿真平台验证所设计控制器的有效性。

2 四旋翼无人机的数学模型建立

2.1 四旋翼无人机的飞行原理

四旋翼无人机通过控制安装在两个垂直机架上四个电机的转速来控制不同电机对无人机的升力，从而实现对无人机姿态的控制。四旋翼无人机的飞行姿态包括悬停、俯仰、横滚、偏航这四种。当四个旋翼的转速相等的时候它们对机体的合扭矩作用为零，通过控制每个旋翼的旋转速度从而改变升力，使旋翼旋转产生的升力等于无人机自身的重力，此时无人机处于悬停状态。通过控制两个不同机架上的两组电机实现不同的转速，从而对机体产生扭矩的作用实现对四旋翼无人机的偏航动作。当使四旋翼无人机其中一个机架上的两个电机的转速保持不变，另外一个机架上的两个电机的转速分别一个增加、另一个减小，从而实现对四旋翼无人机俯仰和横滚动作的控制。……