淺談PID控制算法對四軸飛行器的重要性

鄒桐

摘要 ：四軸飛行器飛行原理上比較簡單，但涉及的知識范圍廣，對控制器的要求高，該文通過講解四軸飛行器的發(fā)展史及工作原理來簡述PID控制算法對其的重要性。

關(guān)鍵詞 ：PID控制算法；串級PID；四軸飛行器；多旋翼飛行器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）24-0177-02

四旋翼無人飛行器（Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle）它具備VTOL（Vertical Take-Off and Landing，垂直起降）飛行器的所有優(yōu)點，擁有靈活、體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、可垂直起降和定點懸停、制造成本低、結(jié)構(gòu)相對簡單等特點。近些年來隨著微機電系統(tǒng)MEMS（Micro-electromechanical Systems微電子機械系統(tǒng)）傳感器研究的成熟、微型電機、單片機技術(shù)等的發(fā)展和普及，促使了四軸飛行器的快速發(fā)展，無論是在國家軍事領域還是民用上都具有很好應用前景。

1 概述

一般常將飛行器分為三類：

①固定翼（fixed wing）。就是機翼形狀固定的飛行器。其優(yōu)點是續(xù)航時間長，載重能力大，缺點是起飛和降落需要助跑和滑行。固定翼是自穩(wěn)定系統(tǒng)，對于飛行器姿態(tài)控制來說，固定翼是完整驅(qū)動系統(tǒng)。所以人控制固定翼飛行器的難度不高，固定翼飛行器升空達到穩(wěn)定狀態(tài)后基本無需人為怎么控制。

②直升機（helicopter）。一般是靠一個主旋翼提供升力，一個小的尾翼抵消主旋翼產(chǎn)生的自旋力。直升機為了實現(xiàn)各個方向上的飛行，主旋翼的機械結(jié)構(gòu)非常的復雜。其優(yōu)點是可以垂直起降，續(xù)航時間一般，載荷也一般，缺點就是維護的成本比較高。直升機是不穩(wěn)定系統(tǒng)，但直升機也是完整驅(qū)動系統(tǒng)，人控制直升機的難度也相對不高。

③多旋翼（multi-rotor）。四個或者更多個旋翼的直升機，也能垂直起降。多旋翼機械結(jié)相對直升機構(gòu)非常簡單，動力系統(tǒng)就是電機連上槳。多旋翼的優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低、能垂直起降懸停等，缺點是續(xù)航時間最短，載荷也最有限。多旋翼是不穩(wěn)定系統(tǒng)，不是完整驅(qū)動系統(tǒng)（或者叫欠驅(qū)動系統(tǒng)）。多旋翼讓人來控制難度相對高，一般都有自動控制器來控制飛行器的姿態(tài)。這使得多旋翼飛行器的穩(wěn)定基本都依賴于傳感器及自動控制器。

對于自動控制器，直升機和多旋翼的自動控制器是比較難做。飛行器的自動控制器一般需要慣性導航系統(tǒng)實時獲取自身的姿態(tài)，然后通過姿態(tài)解算與控制來實現(xiàn)。

2 四軸飛行器的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

旋翼式直升機早在20世紀之初就有相關(guān)的研究存在，不過當時是以實用的直升機作為目標進行研制的。基于當時動力系統(tǒng)等硬件的條件，塊頭也都很大。1907年，法國的Breguet兄弟自己制造了一架四旋翼式直升機Gyroplane1成功飛離地面，當時這架大塊頭飛行中沒有用到任何的控制，更沒有像如今的各種高端傳感器，飛行穩(wěn)的定性也就無從談起。但四旋翼飛行器的概念就從此建立了。接下來幾十年里多旋翼飛行器也在慢慢發(fā)展著，但由于MEMS傳感器、自動控制等各大技術(shù)瓶頸的限制并沒有取得突破性的成功。

四軸飛行器對傳感器類實時精確度與控制理論算法上的要求非常高，所以一直到本世紀初期，MEMS傳感器技術(shù)及嵌入式控制系統(tǒng)科技的高速發(fā)展使得四軸飛行器的研究得到了突破。

現(xiàn)在小型或微型無人機隨處可見，各種想法也隨之飛起，今年2月內(nèi)陸某著名搖滾歌手、音樂創(chuàng)作人就用我國自主研發(fā)品牌—大疆無人機空中派送鉆戒表白，電商巨頭亞馬遜在美國用無人機空中送貨等等，引起了一片熱潮.

很多西方國家都有專業(yè)的四軸飛行器科研團隊，國內(nèi)在四軸飛行器研究領域比較有代表性的高校有哈爾濱工業(yè)大學等。還有深圳的大疆創(chuàng)新科技有限公司，民用主要是以遙控控制為主，常用于航拍等。

3 四軸飛行器的工作原理

3.1 四軸飛行器的機械結(jié)構(gòu)

剛性十字型支架，支架各端固定一個電機，電機連接螺旋槳，共4個電機提供驅(qū)動力。其機械結(jié)構(gòu)簡單。四軸飛行器可分為十字模式和 X 模式， 如圖1所示。兩種方式差別不大，X 模式使用比較廣泛。以X模式為例。

3.2四軸飛行器飛行動作原理

四軸飛行器正反槳間隔安裝，正槳順時針反槳逆時針旋轉(zhuǎn)，即每個螺旋槳的轉(zhuǎn)動方向都是與相鄰的螺旋槳轉(zhuǎn)動方向相反而提供動力方向又相同。正是因為這種巧妙的機械結(jié)構(gòu)，與直升機相比，它的四個旋翼可以相互抵消彼此產(chǎn)生的反扭力矩。四軸飛行器的基本飛行姿態(tài)主要由八個動作組成：前后、左右、上下、 順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。電機編號如圖 1（b） 所示，四軸飛行器產(chǎn)生基本動作的原理為：

說明：仰俯和翻滾控制實質(zhì)是一樣的，一組相鄰電機轉(zhuǎn)速同增/同減，另一組相鄰電機轉(zhuǎn)速同減/同增；以實現(xiàn)不同方向上的仰俯與翻滾

飛行控制對應基本動作原理：

升降控制-上下，俯仰控制-前后，翻滾控制-左右，偏航控制-順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)。

3.3四軸飛行器飛行姿態(tài)的表示

姿態(tài)：就是表示機體坐標系與地理坐標系之間的相對角度位置關(guān)系。一般用三個姿態(tài)角表示：橫滾角（roll）、俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）。在四軸飛行器的運動分析中，需要分析運動姿態(tài)和運行軌跡。為了方便準確描述，這里涉及兩個空間直角坐標系，機體坐標系：用來描述四軸飛行器的運動姿態(tài)信息；地理坐標系：用來描述四軸飛行器的運行位置信息。

3.4姿態(tài)解算

由于傳感器的測量誤差，導致測得的機體坐標系有誤差，得到的姿態(tài)也就會不準確。為了得到四軸飛行器精確、穩(wěn)定的姿態(tài)信息，就必須對各傳感器測得的數(shù)據(jù)進行融合、濾波，從而進行姿態(tài)解算，姿態(tài)解算計算出空間三軸歐拉角，結(jié)構(gòu)框架流程如圖2所示：

3.5 姿態(tài)控制

3.5.1控制算法簡介

飛行器的姿態(tài)控制是四軸飛行器核心技術(shù)所在。而姿態(tài)的控制在于控制算法的優(yōu)良，目前有智能控制算法和PID控制算法，然而智能控制算法會受到微處理器計算能力限制而不能達到實時控制的良好效果，PID則不同，PID控制算法相對簡單且技術(shù)成熟，是目前控制算法的首選。PID算法即是PID控制器的靈魂，其對多旋翼飛行器的重要性在此可見一斑。

PID控制即比例積分微分控制，將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，用這個控制量對被控對象進行控制，這樣的控制器就是 PID 控制器。最基本的 PID 控制算法流程如圖3所示，其控制規(guī)律如下所示。

[u（t）=Kpe（t）+1TI0tdt+TDde（t）dt]

式中KP為比例增益，TI為積分時間，TD為微分時間，u（t）為控制量，e（t）為偏差。

3.5.2 經(jīng)典 PID

從前面的介紹中，我們了解打到了四軸飛行器的基本工作原理，我們可以通過控制俯仰角、翻滾角以及偏航角來控制四軸飛行器的姿態(tài)，具體姿態(tài)控制系統(tǒng)示意圖如圖 4中所示。

3.5.3 串級 PID

四軸飛行器是一個非線性的系統(tǒng)， 而單級 PID 更適合線性系統(tǒng)。 四軸飛行器采用單級 PID 算法進行控制， 會使系統(tǒng)存在不同程度的超調(diào)和震蕩。故本設計還可以在姿態(tài)控制中又加入角速度環(huán)，構(gòu)成了串級 PID 控制器。

串級PID就是兩個 PID 串在一起，分內(nèi)環(huán)和外環(huán)。四軸飛行器采用串級 PID 控制器進行控制，可以達到更好的控制效果，即使外環(huán)數(shù)據(jù)劇烈變化，仍然可以有一個良好的控制效果。

4 結(jié)束語

我們了解到了四軸飛行器的基本構(gòu)成及基本飛行原理，姿態(tài)控制是多旋翼飛行器的靈魂，而PID控制算法及以它為基礎衍生出的串級PID等各種衍生版PID控制算法是姿態(tài)控制的關(guān)鍵，故PID控制算法對四軸飛行器的重要性在這里可想而知。

參考文獻：

[1] 程學功. 四軸飛行器的設計與研究[D].杭州電子科技大學，2012.

[2] 凌金福. 四旋翼飛行器飛行控制算法的研究[D].南昌大學， 2013.

[3] 國倩倩. 微型四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設計及控制方法研究[D].吉林大學，2013.