20世纪初四轴飞行器姿态控制的研究并没有得到重视。进入21世纪以来，科技发展迅速，四轴飞行器的研究得以不断开展。其功能不断增多、稳定性及续航时间不断增强，但是其稳定性还不够理想。

针对四轴飞行器稳定性不高的缺点，加入数字信号传输系统，使之能与上位机进行远距离的双向通讯，然后将遥控控制信号传输至飞行器，并将四轴飞行器姿态控制当前的姿态角、高度等信息返回给上位机，在上位机和四轴飞行器之间建立双向的数据链，四轴飞行将遥控信号和飞行器姿态、位置信息反馈给上位机，上位机再经过稳定性测试后，将上述信息再负反馈给四轴飞行器。在通信速度为1Kbps的条件下，可以使其有效距离达到3000米以上，从而达到远距离运行。

四轴飞行器包括四个机翼，四个电机的尺寸相同，每个电机控制一个旋翼，飞行控制计算机控制四个电机，四个电机之间通过支架连接起来，其具体结构形式如图1所示。

图1四轴飞行器结构图

四轴飞行器通过四个电机的支架构成主要躯干，由躯干的不同运动而形成立体的六个自由度，通过对电机进行不同的加减速而产生对应的离心力。根据离心力的方向来实现对非线性的自由度的控制，从而平衡反转矩，四轴飞行器姿态控制状态分别是以下几种。

经典的单环位置式PID算法：即PID(output)=P*(姿态角误差)+I*（误差积分）+D*（误差微分）,虽然可以做到四轴飞行器的自平衡，但由于误差微分项的严重滞后以及四轴飞行器极不稳定，导致实际的PID整定过程会非常漫长，很难成功。所以我们在此算法上做出改善；通过控制两个单环式PID算法，即串级PID(output)=内环P*(姿态角误差)+内环I*（误差积分）+内环D(角速度)+外环P(姿态角误差)。其内外环P、I、D值对应的公式调节，有以下部分：

（1）比例项内环P输出：内环P的值影响着四轴的稳定性，即P的值与系统稳定性误差K呈正比：

（2）积分项内环I输出：同理，内环I的值对四轴的稳定性也存在影响，在时间常数的积分下，K与I呈正比关系：

（3）微分项内环D输出：微分项对于调节偏差值的变化起着至关重要的作用，当偏差值发生变化时，在P端添加一个恒定的偏差值，减小稳定性的误差，提高系统的稳定性：

（4）比例项外环P输出：同理，外环P的值也影响着四轴的稳定性， P的值与系统稳定性误差K呈正比，逐步提高四轴稳定性：

综上所述，内外环P、I、D所述得到一条公式，即PID控制的数学表达式：

对于其串级PID算法步骤，具体实现如图5所示。

图5串级PID算法流程图

在通过上位机中的数据调节串级PID时，首先设定期望角度，将期望角度输出到角度环PID控制器中，再通过角度环PID输出到角速度环PID控制器中，然后用四个PWM波输出到对应的四个电机上，IMU（惯性测量监控）随时用来重新测量四轴飞行器姿态控制的稳定值。一方面IMU通过负反馈到角速度环PID控制器中，另一方面IMU以3D姿态负反馈到期望角度中，循环之前的步骤，直到调节到相对稳定的平衡值。对于如何整定串级PID值，本文主要从调节串级PID中的内外环P、I、D值，从而使四轴稳定性逐步提高。

通过调节串级PID算法中的内外环P、I、D值，使四轴飞行器姿态控制稳定性大幅度提高，从而顺利地完成负载探测器以及航拍的任务等等。然而在实际操作中，理论与实践还存在一定差距，四轴会受到外部环境的一些干扰。因此还需要对软件部分进行优化，硬件部分进行升级，最终慢慢地达到理想效果。

标签： 四轴飞行器姿态控制