CN110032208B - 一种用于水下侦查与摄影无人机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下侦查与摄影的无人机，包括：壳体；旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体一侧；多个螺旋桨，其可旋转支撑在所述旋转支撑臂另一端，并能够随所述旋转支撑臂偏转；调速电机，其设置在所述壳体内，连接并带动所述螺旋桨旋转；步进电机，其连接所述旋转支撑臂，并能够驱动所述旋转支撑臂偏转；摄影机，设置在所述壳体顶部；中央控制器，其连接所述驱动电机和所述步进电机，由步进电机驱动旋转支撑臂带动螺旋桨旋转，并有调速电机带动螺旋桨旋转，可以由螺旋桨带动壳体在水下环境进行拍摄，结构简单，控制方便，还设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机控制方法。

Description

一种用于水下侦查与摄影无人机及其控制方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，更具体的是，本发明涉及一种用于水下侦查与摄影的无人机及控制方法。

背景技术

国内无人机市场已发展了将近30余年，水下无人机，也被成为水下机器人。最初，水下机器人被用于军事、科考等领域。近年，水下机器人开始在渔业环境检测、潜水娱乐等消费级市场兴起，但相比于无人机在技术和产品上都较为成熟并已被消费级市场接受相比，水下机器人在技术和产品形态上都有待开发。

发明内容

本发明设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机，由步进电机驱动旋转支撑臂带动螺旋桨旋转，并有调速电机带动螺旋桨旋转，可以由螺旋桨带动壳体在水下环境进行拍摄，结构简单，控制方便。

本发明还设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机控制方法，通过两个闭环PID控制器精准控制步进电机的转角和调速电机转速，实现无人机水下行驶的精准控制，提高了无人机的行驶稳定性。

本发明提供的技术方案为：

一种用于水下侦查与摄影的无人机，包括：

壳体；

左前旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体一侧；

左后旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体一侧，并与所述左前旋转支撑臂平行设置；

右前旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体另一侧；

右后旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体另一侧，并与所述右前旋转支撑臂平行设置；

多个螺旋浆，其可旋转支撑在所述旋转支撑臂另一端，并能够随所述旋转支撑臂偏转；

调速电机，其设置在所述壳体内，连接并带动所述螺旋桨旋转；

步进电机，其连接所述旋转支撑臂，并能够驱动所述旋转支撑臂偏转；

摄影机，设置在所述壳体顶部；

中央控制器，其连接所述驱动电机和所述步进电机。

优选的是，所述中央控制器包括：

三轴陀螺仪，其设置在所述壳体内，用于检测所述无人机在水中的行驶姿态；

三轴传感器，其设置在所述壳体内，用于检测所述无人机的行驶加速度；

三轴磁强计，其设置在所述壳体内，用于检测所述无人机的潜入深度；

第一PID控制器，其连接所述三轴陀螺仪、三轴传感器和所述三轴磁强计，得到无人机的行驶姿态，并进行解析，进而控制所述调速电机的转速；

第二PID控制器，其连接所述三轴陀螺仪、三轴传感器和所述三轴磁强计，得到无人机的行驶姿态，并进行解析，进而控制所述步进电机的转角。

一种用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，包括：

建立三维笛卡尔检测坐标系，实时检测无人机的潜入深度，实时检测无人机的偏转角：

其中，ψ为航向角，为横滚角，ω为俯仰角，/> δ₀为无人机旋转幅度，l_ix为无人机质心到检测坐标系x轴的距离，l_iy为无人机质心到检测坐标系y轴的距离，l_iz为无人机质心到检测坐标系z轴的距离；

并通过目标深度计算调速电机目标的目标转速：

其中，为左前调速电机的目标转速，/>为右前调速电机的目标转速，/>为左后调速电机的目标转速，/>为右后调速电机的目标转速，n₁为左前调速电机的实时转速，n₂为右前调速电机的实时转速，n₃为左后调速电机的实时转速，n₄为右后调速电机的实时转速，k为转动系数，j为量化系数，/>为目标深度，H_q为潜入深度，L为螺旋桨中心到质心的距离；

根据所述调速电机的目标转速，计算调速电机的目标输入电压；

将调速电机的理想输入电压、实际输入电压之差和电压差变化率输入第一PID控制器，输出为调速电机输出电压的控制策略；

通过无人机的目标航向角，计算步进电机的目标

其中，为左前步进电机的目标转角，/>右前步进电机的目标转角，/>左后步进电机的目标转角，/>为右后步进电机的目标转角，/>为无人机的目标航向角，ψ为无人机的实时航向角，c为转换系数；

将无人机的目标转角、实际转角之差和转动角速度输入第二PID控制器，输出为支撑臂转角的控制策略，即为步进电机转动角度。

优选的是，还包括对所述无人机的潜入深度检测校正：

其中，H_q为潜入深度，G为校正因数，S为磁强计检测到的嵌入深度，L为螺旋桨中心到质心的距离，n为无人机螺旋桨个数。

优选的是，所述第一PID控制器包括电压环控制器和压差变化率环控制器；

所述电压环控制器的输入为给定的目标输入电压与调速电机的实际输入电压之差，即为电压差，所述电压环控制器的输出为调速电机的目标压差变化率；

将所述调速电机的目标压差变化率与所述调速电机的实际压差变化率之差输入压差变化率环控制器，所述转速环控制器输出为调速电机输入电压的目标控制幅度，实现螺旋浆的转速控制。

优选的是，所述第二PID控制器包括转角环控制器和转动角速度环控制器；

将所述步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差输入转角环控制器，即为角度差，所述转角环控制器输出为目标转动角速度；

所述转动角速度控制器的输入为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差，即为角速度误差，所述转动角速度环控制器的输出为角速度控制幅度，实现支撑臂转角的控制。

优选的是，所述调速电机的目标输入电压的计算公式为：

其中，为左前调速电机输出电压，/>为右前调速电机输出电压，/>为左后调速电机输出电压，/>为右后调速电机输出电压，/>为左前调速电机转速，/>为右前调速电机转速，/>为左后调速电机转速，/>为右后调速电机转速；k_n为调速电机转速n,i＝1,2,3,4；与对应螺旋桨推动力之间的转换系数，L为螺旋桨中心到机体质心的距离。

优选的是，所述电压环控制器PID控制算法公式为：

其中，U(t)为输出的调速电机压差变化率控制幅度，k_p为电压环控制器的比例项修正系数，k_i为电压环控制器的积分项修正系数，k_d为电压环控制器的微分项修正系数，e_c(t)为给定的目标输入电压与调速电机的实际输入电压之差；

所述压差变化率环控制器PID控制算法公式为：

其中，P(t)为输出的目标电压控制幅度，k_i-p为压差变化率环控制器的比例项修正系数，k_i-i为压差变化率环控制器的积分项修正系数，k_i-d为压差变化率环控制器的微分项修正系数，e_p(t)为给定的目标电压变化率与调速电机的实际电压变化率之差；

所述转角环控制器PID控制算法公式为：

其中，α(t)为输出的转角电机角速度控制幅度，k_o-p转角环控制器的比例项修正系数，k_o-i为转角环控制器的积分项修正系数，k_o-d为转角环控制器的微分项修正系数，e_o(t)为给定的步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差；

所述转动角速度环控制器PID控制算法公式为：

其中，θ(t)为输出的转角电机角度控制幅度，k_z-p转动角速度环控制器的比例项修正系数，k_z-i为转动角速度环控制器的积分项修正系数，k_z-d为转动角速度环控制器的微分项修正系数，e_z(t)为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差。

优选的是，还包括专家控制规则：

但时，/>

其中，为调速电机的目标输入电压，U_i为速电机的实际输入电压，p_m为变化比例系数，i_m为积分比例系数，d_m为微分比例系数，δ为时间变化系数，k′_p为规则电压环控制器的比例项修正系数，k′_i为规则电压环控制器的积分项修正系数，k′_d为规则电压环控制器的微分项修正系数；

当时，/>

其中，为调速电机的目标电压变化率，P_i为调速电机的实际电压变化率，δ为时间变化系数，k′_i-p为规则压差变化率环控制器的比例项修正系数，k′_i-i为规则压差变化率环控制器的积分项修正系数，k′_i-d为规则压差变化率环控制器的微分项修正系数，e_p(t)为给定的目标电压变化率与调速电机的实际电压变化率之差；

当时，/>

其中，为转角电机的目标转角，α_i转角电机的实际转角，δ为时间变化系数，k′_o-p为规则转角环控制器的比例项修正系数，k′_o-i为规则转角环控制器的积分项修正系数，k′_o-d为规则转角环控制器的微分项修正系数，e_o(t)为给定的步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差

当时，/>

其中，为转角电机的目标角速度，θ_i为转角电机的实际角速度，k′_z-p为规则转动角速度环控制器的比例项修正系数，k′_z-i为规则转动角速度环控制器的积分项修正系数，k′_z-d为规则转动角速度环控制器的微分项修正系数，e_z(t)为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差。

本发明所述的有益效果

本发明设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机，由步进电机驱动旋转支撑臂带动螺旋桨旋转，并有调速电机带动螺旋桨旋转，可以由螺旋桨带动壳体在水下环境进行拍摄，结构简单，控制方便。本发明还设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机控制方法，通过两个闭环PID控制器精准控制步进电机的转角和调速电机转速，实现无人机水下行驶的精准控制，提高了无人机的行驶稳定性。

附图说明

图1为本发明所述的用于水下侦查与摄影的无人机的结构示意图。

图2为本发明所述的中央控制器的结构框图。

图3为本发明所述的第一PID控制器流程图。

图4为本发明所述的第二PID控制器流程图。

图5为本发明所述的双闭环PID专家姿态角控制***结构框架示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的用于水下侦查与摄影的无人机，包括：壳体100、旋转支撑臂200、多个螺旋浆300、调速电机400、步进电机500和中央控制器600。

其中，旋转支撑臂200为4个包括：左前旋转支撑臂210、左后旋转支撑臂220、右前旋转支撑臂230和右后旋转支撑臂240。左前旋转支撑臂210一端可旋转支撑在壳体100一侧；左后旋转支撑臂220的一端可旋转支撑在壳体220，与左前旋转支撑臂210平行设置；右前旋转支撑臂230的一端可旋转支撑在壳体100的另一侧；右后旋转支撑臂240一端可旋转支撑在所述壳体100另一侧，并与右前旋转支撑臂240平行设置。

多个螺旋浆300包括：左前螺旋桨310、左后螺旋桨320、右前螺旋桨330和右后螺旋桨340，分别旋转支撑在旋转支撑臂200的另一端，并能够随旋转支撑臂偏转；

调速电机400包括：左前调速电机410、左后调速电机420、右前调速电机430和右后调速电机440，调速电机400设置在所述壳体内，分别连接并带动螺旋桨300旋转；

步进电机500包括：左前步进电机510、左后步进电机520、右前步进电机530和右后步进电机540其连接旋转支撑臂200，并能够驱动旋转支撑臂200偏转；

摄影机700设置在壳体100的顶部，采用鱼眼摄像机，摄像机像素在1200万以上，摄像机安装在无人机前部，可实现180°角度范围内的监控及拍摄，摄像头所取景的图像经过摄像机内部主芯片将球面图像进行修正和展开处理，转化为适合人眼的正常平面视图传入***内部，由***再传入到终端设备中。

如图2所示，中央控制器600包括：三轴陀螺仪610、三轴传感器620、三轴磁强计630、第一PID控制器640和第二PID控制器650。

三轴陀螺仪610设置在壳体100内，用于检测无人机在水中的行驶姿态；三轴传感器620设置在壳体100内，用于检测无人机的行驶加速度；三轴磁强计630设置在壳体内，用于检测无人机的潜入深度；第一PID控制器640连接三轴陀螺仪610、三轴传感器620和三轴磁强计630，得到无人机的行驶姿态，并进行解析，进而控制调速电机400的转速；第二PID控制器650连接三轴陀螺仪610、三轴传感器620和三轴磁强计630，得到无人机的行驶姿态，并进行解析，进而控制步进电机500的转角。

如图3所示，一种用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，包括：

步骤一、建立三维笛卡尔检测坐标系，通过三周磁强计630实时检测无人机的潜入深度H_q，三轴陀螺仪610实时检测无人机态势

步骤二、计算无人机的偏转角：

其中，ψ为航向角，为横滚角，ω为俯仰角，/> δ₀为无人机旋转幅度，l_ix为无人机质心到检测坐标系x轴的距离，l_iy为无人机质心到检测坐标系y轴的距离，l_iz为无人机质心到检测坐标系z轴的距离；

步骤三、通过目标深度计算调速电机目标的目标转速：

其中，为左前调速电机的目标转速，/>为右前调速电机的目标转速，/>为左后调速电机的目标转速，/>为右后调速电机的目标转速，n₁为左前调速电机的实时转速，n₂为右前调速电机的实时转速，n₃为左后调速电机的实时转速，n₄为右后调速电机的实时转速，k为转动系数，其数值为2.46，j为量化系数，其数值为3014-6.29，/>为目标深度，H_q为潜入深度，L为螺旋桨中心到质心的距离；

步骤四、根据所述调速电机的目标转速计算调速电机的目标输入电压：

其中，为左前调速电机输出电压，/>为右前调速电机输出电压，/>为左后调速电机输出电压，/>为右后调速电机输出电压，/>为左前调速电机转速，/>为右前调速电机转速，/>为左后调速电机转速，/>为右后调速电机转速；k_n为调速电机转速与对应螺旋桨推动力之间的转换系数，n,i＝1,2,3,4；k_n为1.69-5.46，L为螺旋桨中心到机体质心的距离；

步骤五、通过无人机的目标航向角，计算步进电机的目标

其中，为左前步进电机的目标转角，/>右前步进电机的目标转角，/>左后步进电机的目标转角，/>为右后步进电机的目标转角，/>为无人机的目标航向角，ψ为无人机的实时航向角，c为转换系数，其数值为22.35-23.95；

步骤六、将调速电机的理想输入电压、实际输入电压之差和电压差变化率输入第一PID控制器，输出为调速电机输出电压的控制策略；

将无人机的目标转角、实际转角之差和转动角速度输入第二PID控制器，输出为支撑臂转角控制策略，即为步进电机转动策略。

在另一实施例中，无人机潜入深度存在磁力计测不准的情况，因此要对测试结果进行校正，无人机的潜入深度检测校正计算公式为：

其中，H_q为潜入深度，G为校正因数，其数值为3.25，S为磁强计检测到的嵌入深度，L为螺旋桨中心到质心的距离，n为无人机螺旋桨个数。

如图4所示，第一PID控制器包括电压环控制器和压差变化率环控制器；

电压环控制器的输入为给定的目标输入电压与调速电机的实际输入电压U_i之差，即为电压差e_c(t)，电压环控制器的输出为调速电机的目标压差变化率/>

将调速电机的目标压差变化率与调速电机的实际压差变化率P_i之差e_P(t)输入压差变化率环控制器，转速环控制器输出为调速电机输入电压的目标控制幅度，实现螺旋浆的转速控制。

如图5所示，第二PID控制器包括转角环控制器和转动角速度环控制器；

步进电机的目标转角与步进电机的实际转角α_i之差输入转角环控制器，即为角度差e_o(t)，转角环控制器输出为目标转动角速度/>

转动角速度控制器的输入为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差θ_i，即为角速度误差e_z(t)，转动角速度环控制器的输出为角速度控制幅度，实现支撑臂转角的控制。

其中，电压环控制器PID控制算法公式为：

U(t)为输出的调速电机压差变化率控制幅度，k_p为电压环控制器的比例项修正系数，k_i为电压环控制器的积分项修正系数，k_d为电压环控制器的微分项修正系数，e_c(t)为给定的目标输入电压与调速电机的实际输入电压之差；

压差变化率环控制器PID控制算法公式为：

其中，P(t)为输出的目标电压控制幅度，k_i-p为压差变化率环控制器的比例项修正系数，k_i-i为压差变化率环控制器的积分项修正系数，k_i-d为压差变化率环控制器的微分项修正系数，e_p(t)为给定的目标电压变化率与调速电机的实际电压变化率之差；

转角环控制器PID控制算法公式为：

其中，α(t)为输出的转角电机角速度控制幅度，k_o-p转角环控制器的比例项修正系数，k_o-i为转角环控制器的积分项修正系数，k_o-d为转角环控制器的微分项修正系数，e_o(t)为给定的步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差；

转动角速度环控制器PID控制算法公式为：

其中，θ(t)为输出的转角电机角度控制幅度，k_z-p转动角速度环控制器的比例项修正系数，k_z-i为转动角速度环控制器的积分项修正系数，k_z-d为转动角速度环控制器的微分项修正系数，e_z(t)为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差。

如图5所示，在另一实施例中，还包括专家控制规则：

当时，/>

当时，/>

其中，为调速电机的目标输入电压，U_i为速电机的实际输入电压，p_m为变化比例系数，其数值为3.25-7.61，i_m为积分比例系数,其数值为4.67-6.54，d_m为微分比例系数，其数值为3.69-7.89，δ为时间变化系数，k′_p为规则电压环控制器的比例项修正系数，k′_i为规则电压环控制器的积分项修正系数，k′_d为规则电压环控制器的微分项修正系数；

当时，/>

当时，/>

其中，为调速电机的目标电压变化率，P_i为调速电机的实际电压变化率，δ为时间变化系数，k′_i-p为规则压差变化率环控制器的比例项修正系数，k′_i-i为规则压差变化率环控制器的积分项修正系数，k′_i-d为规则压差变化率环控制器的微分项修正系数，e_p(t)为给定的目标电压变化率与调速电机的实际电压变化率之差；

当时，/>/>

当时，/>

其中，为转角电机的目标转角，α_i转角电机的实际转角，δ为时间变化系数，k′_o-p为规则转角环控制器的比例项修正系数，k′_o-i为规则转角环控制器的积分项修正系数，k′_o-d为规则转角环控制器的微分项修正系数，e_o(t)为给定的步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差；

当时，/>

当时，/>

其中，为转角电机的目标角速度，θ_i为转角电机的实际角速度，k′_z-p为规则转动角速度环控制器的比例项修正系数，k′_z-i为规则转动角速度环控制器的积分项修正系数，k′_z-d为规则转动角速度环控制器的微分项修正系数，e_z(t)为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差。

本发明设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机，由步进电机驱动旋转支撑臂带动螺旋桨旋转，并有调速电机带动螺旋桨旋转，可以由螺旋桨带动壳体在水下环境进行拍摄，结构简单，控制方便。本发明还设计开发了一种用于水下侦查与摄影的无人机控制方法，通过两个闭环PID控制器精准控制步进电机的转角和调速电机转速，实现无人机水下行驶的精准控制，提高了无人机的行驶稳定性。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，使用一种用于水下侦查与摄影的无人机，包括：

壳体；

左前旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体一侧；

左后旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体一侧，并与所述左前旋转支撑臂平行设置；

右前旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体另一侧；

右后旋转支撑臂，其一端可旋转支撑在所述壳体另一侧，并与所述右前旋转支撑臂平行设置；

多个螺旋浆，其分别对应可旋转支撑在所述旋转支撑臂另一端，并能够随所述旋转支撑臂偏转；

调速电机，其设置在所述壳体内，连接并带动所述螺旋桨旋转；

步进电机，其连接所述旋转支撑臂，并能够驱动所述旋转支撑臂偏转；

摄影机，设置在所述壳体顶部；

中央控制器，其连接所述驱动电机和所述步进电机；

所述中央控制器包括：

三轴陀螺仪，其设置在所述壳体内，用于检测所述无人机在水中的行驶姿态；

三轴传感器，其设置在所述壳体内，用于检测所述无人机的行驶加速度；

三轴磁强计，其设置在所述壳体内，用于检测所述无人机的潜入深度；

第一PID控制器，其连接所述三轴陀螺仪、三轴传感器和所述三轴磁强计，得到无人机的行驶姿态，并进行解析，进而控制所述调速电机的转速；

第二PID控制器，其连接所述三轴陀螺仪、三轴传感器和所述三轴磁强计，得到无人机的行驶姿态，并进行解析，进而控制所述步进电机的转角；

其特征在于，包括：

建立三维笛卡尔检测坐标系，实时检测无人机的潜入深度，实时检测无人机的偏转角：

其中，ψ为航向角，为横滚角，ω为俯仰角，/> 为无人机旋转幅度，l_ix为无人机质心到检测坐标系x轴的距离，l_iy为无人机质心到检测坐标系y轴的距离，l_iz为无人机质心到检测坐标系z轴的距离；

并通过目标深度计算调速电机目标的目标转速：

其中，为左前调速电机的目标转速，/>为右前调速电机的目标转速，/>为左后调速电机的目标转速，/>为右后调速电机的目标转速，n₁为左前调速电机的实时转速，n₂为右前调速电机的实时转速，n₃为左后调速电机的实时转速，n₄为右后调速电机的实时转速，k为转动系数，j为量化系数，/>为目标深度，H_q为潜入深度，L为螺旋桨中心到质心的距离；

根据所述调速电机的目标转速，计算调速电机的目标输入电压；

将调速电机的理想输入电压、实际输入电压之差和电压差变化率输入第一PID控制器，输出为调速电机输出电压的控制策略；

通过无人机的目标航向角，计算步进电机的目标

其中，为左前步进电机的目标转角，/>右前步进电机的目标转角，/>左后步进电机的目标转角，/>为右后步进电机的目标转角，/>为无人机的目标航向角，ψ为无人机的实时航向角，c为转换系数；

将无人机的目标转角、实际转角之差和转动角速度输入第二PID控制器，输出为支撑臂转角的控制策略，即为步进电机转动角度。

2.根据权利要求1所述的用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，其特征在于，还包括对所述无人机的潜入深度检测校正：

其中，H_q为潜入深度，G为校正因数，S为磁强计检测到的嵌入深度，L为螺旋桨中心到质心的距离，n为无人机螺旋桨个数。

3.根据权利要求2所述的用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，其特征在于，所述第一PID控制器包括电压环控制器和压差变化率环控制器；

所述电压环控制器的输入为给定的目标输入电压与调速电机的实际输入电压之差，即为电压差，所述电压环控制器的输出为调速电机的目标压差变化率；

将所述调速电机的目标压差变化率与所述调速电机的实际压差变化率之差输入压差变化率环控制器，所述转速环控制器输出为调速电机输入电压的目标控制幅度，实现螺旋浆的转速控制。

4.根据权利要求3所述的用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，其特征在于，所述第二PID控制器包括转角环控制器和转动角速度环控制器；

将所述步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差输入转角环控制器，即为角度差，所述转角环控制器输出为目标转动角速度；

所述转动角速度控制器的输入为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差，即为角速度误差，所述转动角速度环控制器的输出为角速度控制幅度，实现支撑臂转角的控制。

5.根据权利要求3所述的用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，其特征在于，所述调速电机的目标输入电压的计算公式为：

其中，为左前调速电机输出电压，/>为右前调速电机输出电压，/>为左后调速电机输出电压，/>为右后调速电机输出电压，/>为左前调速电机转速，/>为右前调速电机转速，为左后调速电机转速，/>为右后调速电机转速；k_n为调速电机转速n,i＝1,2,3,4；与对应螺旋桨推动力之间的转换系数，L为螺旋桨中心到机体质心的距离。

6.根据权利要求4所述的用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，其特征在于，所述电压环控制器PID控制算法公式为：

其中，U(t)为输出的调速电机压差变化率控制幅度，k_p为电压环控制器的比例项修正系数，k_i为电压环控制器的积分项修正系数，k_d为电压环控制器的微分项修正系数，e_c(t)为给定的目标输入电压与调速电机的实际输入电压之差；

所述压差变化率环控制器PID控制算法公式为：

其中，P(t)为输出的目标电压控制幅度，k_i-p为压差变化率环控制器的比例项修正系数，k_i-i为压差变化率环控制器的积分项修正系数，k_i-d为压差变化率环控制器的微分项修正系数，e_p(t)为给定的目标电压变化率与调速电机的实际电压变化率之差；

所述转角环控制器PID控制算法公式为：

其中，α(t)为输出的转角电机角速度控制幅度，k_o-p转角环控制器的比例项修正系数，k_o-i为转角环控制器的积分项修正系数，k_o-d为转角环控制器的微分项修正系数，e_o(t)为给定的步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差；

所述转动角速度环控制器PID控制算法公式为：

其中，θ(t)为输出的转角电机角度控制幅度，k_z-p转动角速度环控制器的比例项修正系数，k_z-i为转动角速度环控制器的积分项修正系数，k_z-d为转动角速度环控制器的微分项修正系数，e_z(t)为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差。

7.根据权利要求6所述的用于水下侦查与摄影无人机的控制方法，其特征在于，还包括专家控制规则：

但时，/>

其中，为调速电机的目标输入电压，U_i为速电机的实际输入电压，p_m为变化比例系数，i_m为积分比例系数，d_m为微分比例系数，δ为时间变化系数，k′_p为规则电压环控制器的比例项修正系数，k_i′为规则电压环控制器的积分项修正系数，k_d′为规则电压环控制器的微分项修正系数；

当时，/>

其中，为调速电机的目标电压变化率，P_i为调速电机的实际电压变化率，δ为时间变化系数，k′_i-p为规则压差变化率环控制器的比例项修正系数，k′_i-i为规则压差变化率环控制器的积分项修正系数，k′_i-d为规则压差变化率环控制器的微分项修正系数，e_p(t)为给定的目标电压变化率与调速电机的实际电压变化率之差；

当时，/>

其中，为转角电机的目标转角，α_i转角电机的实际转角，δ为时间变化系数，k′_o-p为规则转角环控制器的比例项修正系数，k′_o-i为规则转角环控制器的积分项修正系数，k′_o-d为规则转角环控制器的微分项修正系数，e_o(t)为给定的步进电机的目标转角与所述步进电机的实际转角之差

当时，/>

其中，为转角电机的目标角速度，θ_i为转角电机的实际角速度，k′_z-p为规则转动角速度环控制器的比例项修正系数，k′_z-i为规则转动角速度环控制器的积分项修正系数，k′_z-d为规则转动角速度环控制器的微分项修正系数，e_z(t)为给定的目标转动角速度与支撑臂的实际转动角速度之差。