[发明专利]一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法

摘要

本发明属于无人机控制技术领域，涉及一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法：(1)电源及稳压电路为控制板各模块提供电源，控制板上电后初始化各模块，若接收到校准信号则对陀螺仪清零，否则主控模块接收来自陀螺仪模块的数据并进行Kalman滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前飞行器的姿态，应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法，通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整；(2)主控模块根据PID算法输出PWM信号通过MOS管驱动电机工作，同时陀螺仪模块继续检测当前飞行角度反馈给主控模块，无线模块接收来自遥控器的数据并送入主控模块中进行处理以执行相应的动作；该方法设计合理，原理科学。

主权项

1.一种用于四旋翼飞行器的模块式控制方法，其特征在于具体包括以下步骤：(1)电源及其稳压电路为控制板的各个模块的正常工作提供电源，控制板上电后初始化各模块并开启中断，此时若接收到校准信号则对陀螺仪进行清零，否则主控模块接收来自陀螺仪模块的数据并进行滤波，利用四元数解算出倾角以得到当前四旋翼飞行器的姿态，再应用基于数字PID算法的四旋翼飞行器飞行控制方法，通过选择控制增益使系统实现期望性能，通过上位机软件对四旋翼飞行器的参数进行调整以获得更好的性能；所述PID算法公式如下所示： U k = K p * e k + KiΣ i = 0 K e j + K d ( e k - e k - 1 ) ]]>其中Uk为系统产生的总的控制作用；ek为当前系统偏差；ej为系统偏差的过去值；ek-ek-1为当前系统偏差与上次系统偏差之差；Kp为比例调节系数，能加快系统的响应速度，提高系统的调节精度，克服干扰能力较强，控制及时、过渡时间短，在过渡过程终了时存在余差；Ki为积分调节系数，反映积分作用的强弱，积分作用使系统稳定性降低，在过渡过程结束时无余差；Kd为微分调节系数，反映微分作用的强弱，能改善系统的动态性能，微分作用能产生超前的控制作用，能够减少超调和调节时间，对噪声干扰有放大作用；(2)主控模块根据PID算法输出四路PWM信号并通过四个MOS管驱动四个电机工作以调整四旋翼飞行器姿态，同时陀螺仪模块继续检测当前飞行角度反馈给主控模块以实现四旋翼飞行器姿态的实时动态调整，无线模块接收来自外部独立配置的遥控器的数据并送入主控模块中进行处理以执行相应的动作，实现对四旋翼飞行器的控制；所述模块式控制方法采用模块式控制板实现飞行器的控制，模块式控制板的主体结构包括主控模块、无线模块、陀螺仪模块、电源及稳压电路、电机及驱动模块，电源及稳压电路分别与主控模块、无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接以提供电源，主控模块分别与无线模块、陀螺仪模块和电机及驱动模块电连接，用于接受并处理来自无线模块和陀螺仪模块的数据信息，无线模块负责传输控制信息，陀螺仪模块用于检测飞行姿态，电机及驱动模块在主控模块产生的PWM信号控制下为飞行器提供动力；主控模块与陀螺仪模块之间通过I2C协议进行数据传输通讯，主控模块与无线模块之间通过SPI协议进行数据传输通讯，以实现对四旋翼飞行器的模块式控制；所述电源及稳压电路为3.7V高倍率航模电池和升压降压电路；先将3.7V的电源电压升压到5V然后再降压到3.3V后以获得供给各个模块的标准工作电压；上位机软件通过USB接口连接模块式控制板，上位机软件包括飞行姿态显示和飞行姿态控制两部分，以分别实现调节或修改四旋翼飞行器PID参数与显示飞行姿态的功能。