摘要：该飞行器是基于MEGA328P为核心控制的四轴飞行模型。系统由飞控模块、电源模块、通信模块、传感器模块、无刷电机模块、机架等组成。利用四元数姿态算法对传感器数据进行处理得到正确的飞行姿态，然后采用PID算法控制电机，实现自由飞行、定高飞行、GPS导航、航拍等功能。实验表明，系统工作稳定，适合大学生自主学习和研究。
Abstract： The aircraft was based on the MEGA328P as the core control of the four axis flight model. The system consisted of control module， power module， communication module， sensor module， brushless motor module， a frame. First， the correct flight attitude of the sensor data was processed by using the attitude of the four elements， then controled motor with PID algorithm， Finally， we realized the free flight， high flight， GPS navigation， aerial photography and other functions. Experiments showed that the system worked stably and was suitable for the students to study and study independently.
关键词：四元数姿态解算；PID算法；四旋翼；卡尔曼滤波
Key words： four element attitude solution；PID algorithm；four rotor；calman filter
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）29-0141-02
0 引言
四旋翼飞行器的结构具有对称性，它是通过平衡四个螺旋桨产生的力来使其稳定的盘旋以及精确的飞行的。因此，四旋翼飞行器在操纵性和结构方面具有很多潜在的优势。在实际应用方面，四旋翼飞行器可以在复杂、危险的环境下可以完成特定的飞行任务，也可以用于灾情探测（洪涝灾害、森林防火、塌方等）和地质勘探、气象探测、路况监测、大气污染探测等场合。本文就是在以往的四旋翼飞行器的基础上，主要研究了四旋翼飞行器的姿态结算和飞行控制，对其结构进行进一步优化，使其飞行性能更加稳定，承载能力更大，并设计制作了一架四旋翼飞行器。
1 总体设计
四旋翼飞行器设计由MEGA328P主控芯片、MPU6050传感器、地磁传感器、气压传感器、无线接收模块、电机驱动模块、电源模块、机架等组成。软件算法采用卡尔曼滤波、四元数姿态算法，控制算法采用PID控制器控制飞行器的电机。整体设计原理图如图1所示。
2 各功能模块的设计
本设计采取模块化策略，将各个功能部分开来设计，最后组合起来。
2.1 四轴飞行器微型结构图，如图2所示。
2.2 四元数姿态解算
2.2.1 姿态矩阵 对四旋翼飞行器只有检测到飞行器的姿态才能对其进行控制，飞行器的姿态检测属于惯性导航的技术的一种，目前较为成熟的是捷联式惯性导航系统。该系统没有固定的物理平台，通过把陀螺仪和加速度计与飞行器载体固定链接在一起，对陀螺仪的角速度进行积分运算，获取载体的姿态信息；将加速度计的输出投影到导航坐标中，然后对导航坐标系中的加速度分量进行积分，获取载体的速度和位置信息。如图3所示。目前对导航坐标的计算方法主要有为：欧拉法、方向余弦法与四元数法。
2.3 PID控制 由于四旋翼飞行器在结构上的对称设计，四旋翼的俯仰角与横滚角的控制是非常相近的，但两者又是相互独立的。四旋翼飞行器的俯仰﹑横滚﹑偏航和升降在系统中采用四个输入量进行控制，通过设定一个期望值，调整电机转速，使得测量的姿态角稳定在期望值，控制策略采用闭环控制，飞行器的姿态角作为被控量，我们通过控制偏差进行控制。如图4所示。
3 硬件制作与测试结果
4 总结
本文讲述了四旋翼飞行器的设计思路以及整体飞行器的控制方法，并制作出了一款不受场地影响的能够在狭小空间自主飞行的飞行器。该飞行器能实现垂直起降、自由飞行、航拍、定高、GPS导航等功能，具有稳定性高，能耗小，承载能力高的特点。
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