基于雙回路pid控制算法的微型四旋翼設(shè)計(jì)

解振華 陸軍航空兵學(xué)院 101123

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基于雙回路pid控制算法的微型四旋翼設(shè)計(jì)

解振華 陸軍航空兵學(xué)院 101123

【文章摘要】

使用經(jīng)典PID控制算法實(shí)現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID算法簡(jiǎn)單可靠，理論體系完備，而且在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中積攢了大量的使用經(jīng)驗(yàn)，在飛行器位置和姿態(tài)控制應(yīng)用中具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性，能提供控制量的較優(yōu)解。

【關(guān)鍵詞】

微型四旋翼；動(dòng)力學(xué)模型；pid控制；試驗(yàn)

0　引言

微型四旋翼具有良好的懸停性能，在室內(nèi)等狹小空間內(nèi)能夠出色的完成偵查任務(wù)，具有良好的操作性能。隨著對(duì)四旋翼飛行器的研究的不斷深入，其控制算法也不斷的優(yōu)化升級(jí)。本文以?xún)陕穬?nèi)外環(huán)pid控制算法為基礎(chǔ)結(jié)合自身實(shí)驗(yàn)，從零制作了一款可實(shí)現(xiàn)起飛，懸停，翻滾，偏航等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的微型四旋翼。

1飛行動(dòng)力學(xué)建模

建立兩個(gè)機(jī)體坐標(biāo)系和慣性坐標(biāo)系，用歐拉角來(lái)表示飛行器的飛行器姿態(tài)，根據(jù)受力分析（如圖1），合理忽略空氣阻力的影響，即可以得出如下公式

圖1　飛行器受力原理圖

圖2　四旋翼飛行器控制算法結(jié)構(gòu)圖

u2=F4-F2

u3=F3-F1

u4=F2+F4-F3-F1

2　雙回路PID控制算法結(jié)構(gòu)分析

在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將微型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。算法結(jié)構(gòu)如圖B-1所示。

使用經(jīng)典PID控制算法實(shí)現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID算法簡(jiǎn)單可靠，理論體系完備，而且在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中積攢了大量的使用經(jīng)驗(yàn)，在飛行器位置和姿態(tài)控制應(yīng)用中具有良好的控制效果和較強(qiáng)的魯棒性，能提供控制量的較優(yōu)解。

3　硬件設(shè)計(jì)

3.1飛行控制模塊設(shè)計(jì)

采用stm32最小開(kāi)發(fā)板作為飛行控制核心，它能夠不斷收集來(lái)自陀螺儀加速度儀以及超聲波測(cè)距器傳遞的有關(guān)飛行器位置姿態(tài)的信息，并通過(guò)pid閉合控制回路，通過(guò)比對(duì)控制誤差，轉(zhuǎn)化成每個(gè)電機(jī)的pwm波輸入量，進(jìn)而改變飛行器的受力狀態(tài)。

3.2傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器部分采用mpu6050模塊和超聲波測(cè)距器。mpu6050可以實(shí)時(shí)得到飛行器實(shí)時(shí)的偏轉(zhuǎn)，翻滾，偏航的姿態(tài)信息，并通過(guò)卡爾曼濾波算法將信息實(shí)時(shí)反饋給飛控，供飛控的決策分析，超聲波測(cè)距器可以實(shí)時(shí)得到無(wú)人機(jī)的飛行高度，并結(jié)合加速儀得到的z軸速度、加速度信息反饋給飛控，從而實(shí)現(xiàn)飛行器的定高功能

3.3動(dòng)力能源模塊設(shè)計(jì)

主要采用2204kv2300電機(jī)搭配5030槳葉作為動(dòng)力源，銀燕12A電調(diào)作為驅(qū)動(dòng)裝置，使用25c1500ma電池作為飛行能源經(jīng)電源分壓模塊，分別給飛控及電調(diào)供電。

4　試驗(yàn)及總結(jié)

調(diào)試過(guò)程面臨的主要困難，主要是無(wú)人機(jī)3軸PID控制量的調(diào)節(jié)。

采用試湊法的方式進(jìn)行調(diào)參數(shù)。分以下幾個(gè)步驟進(jìn)行

4.1先從P開(kāi)始調(diào)起，將I、D的數(shù)值設(shè)置成0。如果發(fā)現(xiàn)飛行器的左右晃動(dòng)幅度角度越來(lái)越大這時(shí)候應(yīng)當(dāng)減少P的值。如果發(fā)現(xiàn)飛行器直接朝一側(cè)傾倒，說(shuō)明P的值過(guò)小。如果發(fā)現(xiàn)左右晃動(dòng)幅度相當(dāng)，則進(jìn)入步驟2

4.2調(diào)整D的值。如果D的值加上之后，飛行器出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)，反應(yīng)過(guò)快。則說(shuō)明D的值較大，如果飛行器仍然左右晃動(dòng)較大，則增大D的值。如果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有恰當(dāng)?shù)闹悼梢允沟盟男砥椒€(wěn)飛行，則應(yīng)當(dāng)重回到步驟1，換個(gè)P值繼續(xù)試湊。直到飛行器能基本平穩(wěn)飛行，則進(jìn)入步驟3

4.3將I的值設(shè)置為P的十分之一左右的值進(jìn)行試探，直到飛行器能較好平穩(wěn)飛行。

本文利用stm32最小開(kāi)發(fā)板作為飛控，在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，將微型四旋翼飛行器實(shí)時(shí)控制算法分為兩個(gè)PID控制回路，即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)可通過(guò)各個(gè)模塊的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，具有平均速度快、定位誤差小、運(yùn)行較為穩(wěn)定等特點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

［1］李 俊，李運(yùn)堂.旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)建模及PID控制.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2012，2.

［2］張廣玉，張洪濤，李隆球，王林.四旋翼微型飛行器設(shè)計(jì).哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)第3 期.2012，6.