馬亨杰，王碩之

（1.閩江學(xué)院計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，福建 福州 350108；2.廈門理工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 廈門 361012）

1 引言

1907年，在Charles Richet教授的幫助下，Breguet兄弟進(jìn)行了第一次旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)嘗試，并設(shè)計(jì)出“Gyroplane No.I”（旋翼機(jī)一號(hào)）?！靶頇C(jī)一號(hào)”的機(jī)身由鋼管搭接構(gòu)成，中心配備一個(gè)供駕駛員使用的座椅和部分動(dòng)力裝置，四個(gè)鋼索支撐的鋼管臂從中間向四個(gè)方向延伸，每個(gè)支撐臂末端都有一對(duì)同軸相疊的四葉片轉(zhuǎn)子。兩個(gè)轉(zhuǎn)子組順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，為了克服扭矩效應(yīng)，相同旋轉(zhuǎn)方向的轉(zhuǎn)子組間隔安裝在支撐臂末端[1]。

從近年的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，四旋翼飛行器漸漸由體積龐大的鋼架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向輕便、迷你結(jié)構(gòu)，越來(lái)越多的工程作業(yè)會(huì)考慮加入四旋翼飛行器進(jìn)行輔助勘測(cè)。同時(shí)，為滿足工程所需要的作業(yè)能力，通過(guò)對(duì)通訊技術(shù)、開(kāi)發(fā)環(huán)境、可操作性等諸多方面的研究探索，技術(shù)人員提高了四旋翼飛行器的穩(wěn)定性、靈敏度等性能[2]。

為了進(jìn)一步提高飛行器的穩(wěn)定性、靈敏度，本文采用了卡爾曼濾波和PID算法?？柭鼮V波的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化，包含統(tǒng)計(jì)噪聲和其他不定雜波，并產(chǎn)生未知變量的估計(jì)值，而PID算法是一種較為常用的自動(dòng)控制算法。本文中，控制模塊的前期姿態(tài)融合算法采用卡爾曼濾波，后期算法則采用PID算法來(lái)做最終的姿態(tài)控制[3]。并在最后對(duì)該算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。

2 四旋翼飛行器軟件設(shè)計(jì)

2.1 卡爾曼濾波

卡爾曼濾波是一種算法濾波，它的測(cè)量結(jié)果隨時(shí)間變化，包含統(tǒng)計(jì)噪聲和其他不定雜波，并產(chǎn)生未知變量的估計(jì)值[4]。這些估計(jì)值基于通過(guò)估計(jì)每個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)變量的聯(lián)合概率分布，單獨(dú)進(jìn)行單一測(cè)量?？柭鼮V波器可以寫成單個(gè)方程，但它通常按照概念不同，分為2個(gè)不同的階段：“預(yù)測(cè)”和“更新”。預(yù)測(cè)階段使用來(lái)自之前時(shí)間單元的狀態(tài)來(lái)估計(jì)當(dāng)前時(shí)間單元的狀態(tài)，在更新階段，當(dāng)前的先驗(yàn)預(yù)測(cè)與當(dāng)前的觀測(cè)信息相結(jié)合以改進(jìn)狀態(tài)估計(jì)，這個(gè)改進(jìn)的估計(jì)被稱為后驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)。

本文選用卡爾曼濾波算法（圖1），是因?yàn)樵趯?shí)際情況下我們無(wú)法直接獲得飛行器的準(zhǔn)確姿態(tài)，而利用卡爾曼算法可以算出四軸當(dāng)前的準(zhǔn)確姿態(tài)，從而達(dá)到提升飛行器飛行的平穩(wěn)程度及靈敏程度，更便于地面控制者的操作，達(dá)到靈敏、穩(wěn)定的效果。 涉及卡爾曼濾波算法，先要討論基準(zhǔn)點(diǎn)的確立。陀螺儀得到±250范圍的數(shù)據(jù)來(lái)表示轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。需要額外注意的是，±250的數(shù)據(jù)需要將原始數(shù)據(jù)減去基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)之后得到的。

上文提及的基準(zhǔn)點(diǎn)指的是傳感器處于零負(fù)荷時(shí)候的輸出數(shù)據(jù)。例如反應(yīng)的Rol、Pit、Yaw三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，如果陀螺儀沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，則輸出為0。但是在實(shí)際情況下，考慮環(huán)境干擾等因素，通常會(huì)有初始值。因此需要進(jìn)行標(biāo)零，即在四旋翼飛行器起飛前水平放置進(jìn)行標(biāo)零，確立水平面。初始化完成之后，將得到的姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的姿態(tài)解算算法中，以便于計(jì)算四軸的準(zhǔn)確姿態(tài)。

圖1 卡爾曼濾波算法流程圖

下面以橫滾方向姿態(tài)變量Reading_IntegralGyroRoll為例，分析在這種算法中數(shù)據(jù)的產(chǎn)生和處理過(guò)程。 第1步：存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)與放大加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正反向設(shè)置和減去中立點(diǎn)操作，并重新用新的變量名為上述數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于新的數(shù)據(jù)仍舊可以被存儲(chǔ)在原本的變量名中，且對(duì)新的變量名進(jìn)行處理之后可以方便清除已經(jīng)使用過(guò)的數(shù)據(jù)，從而達(dá)到存儲(chǔ)空間的相對(duì)優(yōu)化利用。

第2步：將陀螺儀和加速度計(jì)的數(shù)據(jù)都進(jìn)行積分處理。并且與后面的長(zhǎng)期融合計(jì)算得出的誤差修正量進(jìn)行校正補(bǔ)償。進(jìn)行了初步積分計(jì)算處理之后，設(shè)定一個(gè)變量balance_number為對(duì)初步積分計(jì)算的結(jié)果的采樣次數(shù)，并且進(jìn)行多次采樣。當(dāng)采樣次數(shù)超過(guò)2^8（256）次之后，進(jìn)行長(zhǎng)期融合處理，即：將所得數(shù)據(jù)設(shè)定修正為長(zhǎng)期數(shù)據(jù)。

第3步：對(duì)于陀螺儀數(shù)據(jù)的積分結(jié)果再次進(jìn)行積分。

第4步：短期數(shù)據(jù)融合。用加速度傳感器采集的瞬時(shí)數(shù)值乘以系數(shù)，來(lái)修正陀螺儀采集數(shù)據(jù)的積分。接著輸入PID調(diào)節(jié)器中，控制電機(jī)依據(jù)合適的功率轉(zhuǎn)動(dòng)。

第5步：長(zhǎng)期數(shù)據(jù)融合。當(dāng)短期融合次數(shù)達(dá)到了所定義的次數(shù)，接著執(zhí)行長(zhǎng)期融合。設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)期融合后得到的變量AttitudeCorrectionRoll。長(zhǎng)期融合的處理結(jié)果，是計(jì)算統(tǒng)計(jì)出AttitudeCorrectionRoll并且在采樣的同時(shí)對(duì)陀螺儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。值得注意的是，長(zhǎng)期融合對(duì)于不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)（如不同大小的機(jī)架）使用類似算法的適用性有很顯著的提高，且對(duì)積分穩(wěn)定不漂移有不小的貢獻(xiàn)。長(zhǎng)期融合的基本思路是將陀螺儀采集的數(shù)據(jù)的積分結(jié)果再次積分，后執(zhí)行衰減，再與加速度計(jì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。從而得出較為準(zhǔn)確的漂移誤差，并最終修正到采樣瞬時(shí)值中，執(zhí)行對(duì)積分?jǐn)?shù)值的累加修正。

第6步：基準(zhǔn)點(diǎn)修正。上述文章提及了基準(zhǔn)點(diǎn)的重要作用，及重要價(jià)值。在實(shí)際環(huán)境中，不可避免會(huì)產(chǎn)生由溫度、噪聲等引起的誤差，導(dǎo)致基準(zhǔn)點(diǎn)漂移。所以對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)執(zhí)行實(shí)時(shí)修正補(bǔ)償對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性是非常有幫助的。基準(zhǔn)點(diǎn)的修正補(bǔ)償原理是，在到達(dá)了BALANCE_NUMBER的采樣次數(shù)后，執(zhí)行短期融合與長(zhǎng)期融合的修正補(bǔ)償之后，對(duì)比原始與執(zhí)行修正之后的基準(zhǔn)點(diǎn)參數(shù)信號(hào)，如果差距過(guò)大，則判斷是基準(zhǔn)點(diǎn)的漂移導(dǎo)致。根據(jù)其偏差的正負(fù)判斷執(zhí)行基準(zhǔn)點(diǎn)修正的方位。

第7步：Yaw/Rud軸數(shù)據(jù)處理。Yaw參數(shù)代表水平旋轉(zhuǎn)。對(duì)于姿態(tài)校準(zhǔn)調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，Rol與Pit作用相對(duì)Yaw較強(qiáng)，所以優(yōu)先考慮Rol與Pit的調(diào)節(jié)執(zhí)行，即：優(yōu)先考慮Rol與Pit的卡爾曼濾波算法執(zhí)行。完成之后，本設(shè)計(jì)對(duì)于Yaw的瞬時(shí)值與積分值進(jìn)行計(jì)算。

至此，基于卡爾曼濾波的姿態(tài)數(shù)據(jù)處理基本完成。得到了較為準(zhǔn)確客觀且具有代表性的實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)。如下：橫滾姿態(tài)數(shù)據(jù)：Reading_IntegralGyroRoll；俯仰姿態(tài)數(shù)據(jù)：Reading_IntegralGyroNick。需要注意的是，上述兩個(gè)處理之后的數(shù)據(jù)并非真實(shí)的旋轉(zhuǎn)角度，而是隨著最終旋轉(zhuǎn)角度的增加而增加，且具有較好的跟隨性與隨動(dòng)性。

2.2 PID算法及機(jī)體坐標(biāo)系建立與分析

⑴ PID控制算法設(shè)計(jì)

PID算法是一種較為常用的自動(dòng)控制算法，控制模塊的前期姿態(tài)融合算法會(huì)采用卡爾曼濾波，后期算法則會(huì)采用PID算法來(lái)做最終的姿態(tài)控制[5]。

PID算法在四旋翼飛行器上的本質(zhì)就是把采集到的數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)相減（圖2），然后把此差值應(yīng)用到系統(tǒng)的輸入值，系統(tǒng)輸入值就會(huì)讓系統(tǒng)數(shù)據(jù)達(dá)到或保持在設(shè)定的參考值范圍內(nèi)。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、計(jì)算方便等優(yōu)點(diǎn)。

離散系統(tǒng)中的位置式的PID表達(dá)式為：

公式中，KP、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。error是“設(shè)定值減去當(dāng)前值”。

圖2 PID算法流程圖

在采集的數(shù)據(jù)計(jì)算中，seted為目標(biāo)姿態(tài)，由遙控段設(shè)定，即：人為控制。從物理角度看，seted在最終PID表達(dá)式中對(duì)姿態(tài)控制起到正反饋?zhàn)饔谩．?dāng)seted數(shù)值變化的時(shí)候，經(jīng)過(guò)PID調(diào)節(jié)器的計(jì)算，四旋翼飛行器的姿態(tài)會(huì)跟隨seted的方向而變化。實(shí)際姿態(tài)數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)PID計(jì)算處理之后，對(duì)平衡的保持充當(dāng)負(fù)反饋的作用。PID的算法過(guò)程簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是不斷地去調(diào)整設(shè)定的數(shù)值（人為操控的輸入值）與實(shí)際姿態(tài)的通過(guò)前文卡爾曼濾波后的數(shù)值之間的關(guān)系。通過(guò)KP、Ki、Kd分別為比例、積分、微分三個(gè)角度來(lái)修正這一誤差。且形式與二階運(yùn)算的解結(jié)構(gòu)類似，因此使用PID算法控制二階系統(tǒng)（電機(jī)控制系統(tǒng)為二階系統(tǒng)）符合控制方程，可以較好的執(zhí)行所需的控制任務(wù)。

本設(shè)計(jì)中陀螺儀、加速度傳感器、磁力計(jì)都是有本身特有的參考系的，換言之，都是有方向的。當(dāng)這3個(gè)與姿態(tài)采集相關(guān)的傳感器均焊接到PCB板上后，以它們?yōu)榛鶞?zhǔn)建立坐標(biāo)系。姿態(tài)數(shù)據(jù)從3個(gè)傳感器采集的信息讀取。焊接完畢之后，根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)位置推到各個(gè)傳感器X、Y、Z軸的位置，并根據(jù)讀取數(shù)據(jù)決定是否要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取反。

第1步：從力學(xué)角度分析得出最終控制電機(jī)的方式表達(dá)式。將四旋翼飛行器的姿態(tài)量抽象為Ail（橫滾）、Ele（俯仰）、Rud（偏航）、Thr（油門）四個(gè)量，每個(gè)量包含seted和real作差以及PID算法。

第2步：根據(jù)表達(dá)式推出人為控制的方向設(shè)置。在將人為控制信號(hào)輸入到PID調(diào)節(jié)器并執(zhí)行PID算法前，需要將其方向調(diào)整，以至符合上文中的力學(xué)表達(dá)式。

第3步：根據(jù)力學(xué)表達(dá)式推出四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)的陀螺儀坐標(biāo)系?？紤]到陀螺儀是基礎(chǔ)的姿態(tài)采集傳感器，所以本設(shè)計(jì)將重點(diǎn)放在陀螺儀坐標(biāo)的推導(dǎo)。根據(jù)手冊(cè)標(biāo)志點(diǎn)，將陀螺儀的坐標(biāo)系與四旋翼飛行器坐標(biāo)系關(guān)聯(lián)，再根據(jù)力學(xué)表達(dá)式，推算陀螺儀采集信號(hào)是否需要取反。

第4步：加速度傳感器的方向的正負(fù)設(shè)置。三軸加速度傳感器有自身的坐標(biāo)系，在構(gòu)建機(jī)體坐標(biāo)的過(guò)程中，判斷依據(jù)主要有兩種方式，分別是基于四元數(shù)法的姿態(tài)判斷、基于卡爾曼濾波的姿態(tài)判斷。前文提到，本設(shè)計(jì)主要采用卡爾曼濾波算法，所以下面主要討論基于卡爾曼濾波算法的處理方式。根據(jù)陀螺儀與加速度傳感器方向，確定補(bǔ)償數(shù)據(jù)組。考慮到陀螺儀的動(dòng)態(tài)特性較好，加速度傳感器的靜態(tài)特性較好，所以采用加速度傳感器來(lái)補(bǔ)償陀螺儀的漂移[6]。將加速度傳感器采集的三個(gè)軸數(shù)據(jù)表示為Acc_Rol、Acc_Pit、Acc_Yaw，從而能更好地與陀螺儀采集的Rol、Pit、Yaw所對(duì)應(yīng)。當(dāng)陀螺儀沿著一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，加速度傳感器的某一個(gè)軸的數(shù)據(jù)信息如果產(chǎn)生相應(yīng)的變化，則這兩個(gè)數(shù)據(jù)成為一個(gè)“補(bǔ)償數(shù)據(jù)組”互相補(bǔ)償，最終起到修正校準(zhǔn)陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)偏差的作用。完成之后開(kāi)始PID表達(dá)式的參數(shù)構(gòu)建。

前文介紹了電機(jī)控制表達(dá)式，陀螺儀轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度代表瞬時(shí)變化，加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)積分后得出的數(shù)據(jù)直接選作積分項(xiàng)。具體PID調(diào)節(jié)器構(gòu)造過(guò)程如下：

第1步：計(jì)算errorn項(xiàng)（比例項(xiàng)）。errorn代表當(dāng)前時(shí)刻人為給定的姿態(tài)與實(shí)際姿態(tài)的誤差，用遙控器數(shù)據(jù)減去陀螺儀姿態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)表示。采用人為給定數(shù)據(jù)減去陀螺儀姿態(tài)采集數(shù)據(jù)。需要注意的是，人為給定坐標(biāo)系與姿態(tài)傳感器方向需要考慮同向或者反向的問(wèn)題，從而決定程序中是加號(hào)還是減號(hào)。

第2步：計(jì)算error1+error2+…+errorn（積分項(xiàng)）。積分項(xiàng)代表陀螺儀采集的旋轉(zhuǎn)角速度在四旋翼飛行器長(zhǎng)期作用的結(jié)果，可以表示四旋翼飛行器當(dāng)前姿態(tài)角度。采用經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波處理的橫滾姿態(tài)數(shù)據(jù)：Reading_IntegralGyroRoll；俯仰姿態(tài)數(shù)據(jù)：Reading_IntegralGyroNick這兩組數(shù)據(jù)。這樣處理的好處是相較于直接采用第一步中的errorn進(jìn)行積分來(lái)說(shuō)，漂移較小[7]。

第3步：計(jì)算errorn-errorn-1（微分項(xiàng)）。每次對(duì)errorn執(zhí)行算術(shù)處理之后將處理結(jié)果存儲(chǔ)為新的變量名dataOld。在下一個(gè)處理的周期中，用新的采樣數(shù)據(jù)減去dataOld得到errorn-errorn-1項(xiàng)。

第4步：加入KP、Ki、Kd等系數(shù)。將式中的三個(gè)參數(shù)與前三步步求得的各項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)相乘，所得值設(shè)定為OutPutdata表達(dá)式，并最終引用于電機(jī)控制表達(dá)式。

第5步：互補(bǔ)濾波。本次計(jì)算處理完成后，增加互補(bǔ)濾波。即，對(duì)每次運(yùn)算處理的結(jié)果都與前一次結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均。

⑵ PID算法各參數(shù)的整定

為了使得PID調(diào)節(jié)器獲得較好的調(diào)節(jié)效果，除了姿態(tài)數(shù)據(jù)積分處理要準(zhǔn)確外，還需著重關(guān)注KP、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)的整定校準(zhǔn)。本設(shè)計(jì)將參數(shù)的整定分為2步，第1步為估算，第2步為配湊。估算過(guò)程是根據(jù)之前各個(gè)數(shù)據(jù)的范圍執(zhí)行理論估算，配湊過(guò)程需要不斷的進(jìn)行測(cè)試并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行最理想的配湊。需要注意的是KP、Ki、Kd系數(shù)的作用也需要先有定性的了解。

比例系數(shù)KP：KP系數(shù)一直對(duì)執(zhí)行調(diào)節(jié)起作用，KP過(guò)小會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行調(diào)節(jié)不夠明顯、不夠有力，過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。本設(shè)計(jì)的具體調(diào)節(jié)為先設(shè)置較大的KP，然后逐漸減小并觀察，當(dāng)出現(xiàn)振蕩時(shí)將當(dāng)時(shí)的KP乘以0.717（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)），此時(shí)得到的數(shù)值再進(jìn)行執(zhí)行并觀察有無(wú)振蕩，如此循環(huán)直至系統(tǒng)不再出現(xiàn)明顯振蕩。

積分系數(shù)Ki：Ki主要與PID算法后期的平滑處理與收斂有關(guān)聯(lián)，主要影響的是響應(yīng)曲線中實(shí)際值接近定值后的部分的平滑程度，平滑程度越高系統(tǒng)的精細(xì)度越好。具體作用在本設(shè)計(jì)的直觀結(jié)果，為在四旋翼飛行器較為穩(wěn)定的狀態(tài)下如果出現(xiàn)小范圍偏移，則調(diào)大Ki；如果出現(xiàn)振蕩且較振蕩較大，則調(diào)小Ki。

微分系數(shù)Kd：增加系統(tǒng)的快速反應(yīng)能力，增加收斂時(shí)刻的振幅。在具體調(diào)節(jié)中，有振蕩則調(diào)小，反饋弱則增大。

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本章主要根據(jù)設(shè)計(jì)的需要對(duì)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的可靠及可行性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與測(cè)試。由于本設(shè)計(jì)將PID控制比例設(shè)置為可通過(guò)Android上位機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)所以本設(shè)計(jì)直接進(jìn)行實(shí)物調(diào)試。

3.1 Android上位機(jī)通訊實(shí)驗(yàn)

首先，打開(kāi)四旋翼飛行器總開(kāi)關(guān)，確保藍(lán)牙通訊模塊紅燈閃爍，表示處于開(kāi)放狀態(tài)打開(kāi)Android上位機(jī)的應(yīng)用程序并進(jìn)行連接藍(lán)牙，本設(shè)計(jì)的藍(lán)牙標(biāo)識(shí)為BT04-A。藍(lán)牙匹配連接成功后，四旋翼飛行器搭載的藍(lán)牙模塊紅燈顯示常亮，Android應(yīng)用顯示“藍(lán)牙已連接到BT04-A”字樣。

3.2 Android上位機(jī)控制電機(jī)測(cè)試

在Android上位機(jī)應(yīng)用程序上打開(kāi)電調(diào)控制測(cè)試開(kāi)關(guān)，并觀察四旋翼飛行器各電機(jī)運(yùn)行情況（需要在測(cè)試前拆除機(jī)翼）。

3.3 Android上位機(jī)校準(zhǔn)陀螺儀磁力計(jì)

打開(kāi)Android上位機(jī)界面，開(kāi)啟校準(zhǔn)模式。放平四旋翼飛行器，點(diǎn)擊校準(zhǔn)加速度計(jì)。觀察顯示的傳感器數(shù)據(jù)（圖3）。

圖3 校準(zhǔn)測(cè)試前（左）、后（右）

3.4 飛行姿態(tài)自平衡測(cè)試

本設(shè)計(jì)對(duì)于姿態(tài)反饋的測(cè)試主要先測(cè)試低油門下單電機(jī)對(duì)于姿態(tài)的調(diào)節(jié)，后加大油門至30%油門觀察對(duì)軸的自我穩(wěn)定情況，后進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。具體步驟如下：

首先將對(duì)軸進(jìn)行非剛性固定，本設(shè)計(jì)采取用無(wú)彈性的繩子綁住一對(duì)軸的機(jī)架部分，將剩余一對(duì)的電機(jī)取一端放置最低點(diǎn)，另一端為最高點(diǎn)。加大油門至5%，漸漸放平。觀察低處電機(jī)在放平之前有無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)（圖4）。

接著，加大油門至30%，輕微觸碰自由對(duì)軸的一端，讓其偏離水平，然后觀察四旋翼飛行器能否回到平穩(wěn)狀態(tài)。本設(shè)計(jì)期望在四旋翼飛行器在油門5%的前提下，與水平夾角50°左右能有明顯的響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)后確定PID增益為設(shè)定區(qū)間的40%左右。

圖4 對(duì)姿態(tài)反饋控制的測(cè)試

圖5 Android上位機(jī)控制飛行器起飛

3.5 與Android上位機(jī)的姿態(tài)同步

在空曠地帶進(jìn)行與Android上位機(jī)的姿態(tài)同步測(cè)試，改變搭載Android系統(tǒng)的移動(dòng)端角度，觀察四旋翼飛行器能否跟隨移動(dòng)端控制（圖5）。

4 結(jié)論

隨著工程作業(yè)目的越來(lái)越復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境越來(lái)越特殊，四旋翼飛行器在各個(gè)領(lǐng)域有了更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)工程研究項(xiàng)目對(duì)四旋翼飛行器可靠性靈敏度、以及便攜程度都有了更高的要求。四旋翼飛行器的進(jìn)一步簡(jiǎn)便化、輕量化的研究對(duì)于工程實(shí)踐有著很高的戰(zhàn)略意義。

本文綜述了四旋翼飛行器的發(fā)展概況和發(fā)展趨勢(shì)，并將卡爾曼濾波和PID算法相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了四旋翼飛行器軟件，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代飛行器所需要的便捷化、高靈敏度、高精度等特點(diǎn)，并在最后進(jìn)行了該設(shè)計(jì)的可靠及可行性進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，得出了該方案高效可行的結(jié)論。