"四旋翼飞行器串级PID控制设计与实现"
本文介绍了一种四旋翼飞行器的串级PID控制设计与实现方法，旨在解决四旋翼飞行器的姿态与高度控制问题。该方法采用STM32F407芯片作为处理器，MPU6050测量模块、磁力计、气压计和超声波模块进行姿态角度的检测与高度测量，以四元数姿态表示方法进行姿态解算，并使用串级控制算法提高了系统的抗干扰能力。
四旋翼飞行器是一种结构简单、易于操作的微型飞行器，广泛应用于军事侦查、民事航拍等方面。然而，四旋翼飞行器的控制难度很大，主要是因为它欠驱动、强耦合、非线性的特点。目前主流控制仍是PID控制算法，但需要较高的运算速度及时响应，现有的微处理器很难做到这一点。
本文的设计采用双闭环结构，进行串级PID控制设计，以四元数互补滤波方法进行实时姿态解算，以高性能的STM32F4系列芯片作为处理器，以时间片轮方式进行任务循环执行，最后通过电子调速器控制电机转速，达到实现姿态和高度控制的目的。
四旋翼飞行器的飞行原理可以分为两种结构，“十字”和“X”型结构。本文以“X”型为例，机架呈对称结构，四个电机分别安装在机架顶端，且相邻电机的转速相反，以此抵消旋翼转动时内部产生的陀螺效应。通过改变四个电机的转速，可以实现飞行器多种飞行模式，如垂直运动与悬停、滚转运动与左右飞行、俯仰运动与前后飞行、偏航运动等。
四旋翼飞行器的硬件组成包括测量模块、控制模块、执行模块、无线传输模块、显示单元等组成。测量模块主要进行飞行器姿态和高度的测量，采集后的数据给主控制单元进行滤波处理和姿态解算。控制模块采用ARM Cortex-M4内核的STM32F407VGT6芯片作为主控制芯片，具有强大的计算处理能力，并且可提供丰富的扩展接口，可同时接多种外部传感器设备。
本文设计的串级PID控制器不仅提高了系统的抗干扰能力，也提高了系统的控制精度，具有较好的飞行控制效果。实验结果表明，所设计的控制器可以在不同的飞行模式下保持稳定的飞行状态，满足了四旋翼飞行器的控制要求。
