四旋翼无人机的控制原理
四旋翼无人机的控制原理
近年来，无人机技术取得了飞速发展，在消费级和工业级市场都得到了广泛应用。四旋翼无人机作为无人机家族中的重要成员，以其结构简单、控制灵活等特点受到广泛关注。本文将为您详细介绍四旋翼无人机的飞行原理和控制原理，帮助您深入了解这一前沿科技。
一、四旋翼无人机飞行原理
在四旋翼无人机中，相邻的两个螺旋桨旋转方向是相反的。螺旋桨M1、M3的旋转方向为逆时针，螺旋桨M2、M4的旋转方向为顺时针。当飞行时，M2、M4所产生的逆时针反作用力（反扭矩）和M1、M3产生的顺时针反作用力（反扭矩）相抵消，飞机机身就可以保持稳定。在保证四旋翼无人机每个旋翼转速大小相同（产生的总扭矩为零），通过调整无人机四个旋翼的转速来进行各种运动。
1、垂直运动
每个旋翼增加/减小大小相同的转速，便可实现无人机的垂直上升/下降运动。增加转速，无人机升力增加当大于重力时，垂直上升，反之下降。
2、俯仰运动
如图，将电机M1、M4的转速增加或者将M2、M3转速减小时，前两旋翼产生升力大于后两旋翼产生的升力，使四旋翼向后飞行。反之向前飞行。
3、滚转运动
与俯仰运动原理相同，如图，将电机M1、M2的转速增加或者将M3、M4转速减小时，左两旋翼产生升力大于右两旋翼产生的升力，使四旋翼向右飞行。反之向左飞行。
4、偏航运动
将电机M2、M4的转速增加或者将M1、M3的转速减小，此时2、4旋翼升力提高，1、3旋翼升力下降，此时总合力变化为零，但顺时针转速大于逆时针转速，产生一个顺时针的力矩，使得无人机向右旋转，实现向右偏航。反之无人机向左旋转，实现向左偏航。
二、四旋翼无人机控制原理
1.姿态控制
由于四旋翼无人机自身存在姿态与平动的耦合关系以及模型参数不确定性与外界扰动，因此只有实现姿态的稳定控制才能完成航迹的有效跟踪。
在四旋翼无人机的自主控制系统中，姿态稳定控制是实现飞行器自主飞行的基础。其任务是控制四旋翼无人机的三个姿态角（俯仰角、滚转角、偏航角）稳定地跟踪期望姿态信号，并保证闭环姿态系统具有期望的动态特性。
由于四旋翼无人机姿态与平动的耦合特点，分析可以得知，只有保证姿态达到稳定控制，才使得旋翼总升力在期望的方向上产生分量，进而控制飞行器沿期望的航迹方向飞行。
由于通道中存在不确定因素，比如模型误差、环境干扰、观测误差等，这些不确定性将降低系统的闭环性能。所以在设计无人机控制系统时，必须要考虑系统的抗干扰性能，即闭环系统的鲁棒性。因此需要设计一定的干扰补偿器对干扰进行逼近和补偿，以实现姿态角的稳定跟踪。
2、PID控制
姿态控制主要由三个角控制（俯仰角、偏航角、横滚角），采用单极控制如下
单极控制存在飞机的电机转速与升力不成正比而出现的失衡，跟随滞后等等问题，其中加上一个对姿态角的变化率即角速度控制的PID算法，从而缓解单极导致的速度失衡问题。
3、PID
PID算法相比于传统单一的比例传递，是比例微分积分的共同作用
P：指的是误差比例部分
P单元控制着无人机里的动力部分，作为比例部分可以输出大部分的动力。
如果Kp过小则会导致系统调节时间tp过长，系统反应迟缓，若Kp过大则会导致系统振荡，此时需要引入微分部分减小震荡。所以一般先设置P值较大，增强无人机的反应能力。
I：指的是误差积分部分
I单元对外界干扰或存在的系统误差进行纠正，以确保最后的输出符合预期。
如果Ki过小，则此时系统会产生稳态误差，若Ki过大，则会导致系统振荡。一般情况下，我们可以把I值设的高一点，使得飞行器尽快从误差值恢复到目标值。
D：指的是误差微分部分
D就是通过微分的方法来计算运动速度。类似阻尼的作用，减小系统变化
如果Kd过小，则此时系统会产生振荡，但若Kd过大，则系统阻尼过大，会导致响应变慢，运动迟缓。
Kd的值需要视无人机作用采用不同大小，若追求无人机运动稳定，则设置值高一些，若要求无人机反应迅速，则设置Kp值高一些，Kd值小一些