關(guān)于多旋翼式飛行器系統(tǒng)的研究

周小瑩　劉向東　周湘淇

【摘 要】本文設(shè)計(jì)的多旋翼式飛行器是基于單片機(jī)控制下，具有一定功能的自主飛行器。重點(diǎn)討論多旋翼飛行器的定高實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)的對(duì)機(jī)身高度的數(shù)據(jù)采集處理分析，及多旋翼式飛行器的定高算法的設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)際，進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】定高；PID控制；數(shù)據(jù)處理；多旋翼飛行器

0 引言

多旋翼飛行器是一種有多個(gè)螺旋槳的飛行器。四旋翼飛行器是其中最常見(jiàn)的一種。主要用于航拍、橋梁和電力線路檢測(cè)、定點(diǎn)巡航、娛樂(lè)等。在大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中出現(xiàn)了三次關(guān)于自主飛行器的命題，本文就簡(jiǎn)要圍繞自主飛行中的定高飛行展開(kāi)研究。

由于前人[1]的研究我們也將飛行器分析為一個(gè)非線性高耦合欠控制的系統(tǒng)，在建模時(shí)常常忽略外界不穩(wěn)定因素。飛行器的多個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)提供機(jī)身的整體升力，由于忽略了多個(gè)旋翼之間的耦合，認(rèn)為整體的升力可以表示為每個(gè)旋翼提供升力之和。并提出了下列模型（圖1）：

1 濾波算法

在研究定高技術(shù)時(shí)，對(duì)高度的采集尤為重要。理論上講單片機(jī)從A/D芯片上采集的信號(hào)就是需要的量化信號(hào)，但是由于存在電路的干擾、電源噪聲干擾和電磁干擾，在A/D芯片的模擬輸入信號(hào)上會(huì)疊加干擾信號(hào)，為了避免干擾，我們采用軟件濾波的方法，對(duì)超聲波采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

每50毫秒超聲波模塊采集到的數(shù)據(jù)為inputHig，設(shè)定一個(gè)長(zhǎng)度為10的數(shù)組highall。把每次測(cè)得的數(shù)據(jù)存入數(shù)組，最后輸出的數(shù)值是前十次的測(cè)量值的平均值。主要的濾波算法簡(jiǎn)單易懂，且實(shí)用，滿足我們控制需求。

ms = millis（）；

if （ms > t1） {

t1 = ms + 50； //service period 50ms

if （pt.cnt[HIGH]） {

inputHigh = pt.dt_us[HIGH] * 17e-3；

hsum=0；

for（i=0；i<9；i++）

{ hsum+=highall[i+1]；

highall[i]=highall[i+1]；

}

highall[9]= inputHigh；

hsum+=inputHigh；

inputHigh=hsum/10；

}

}

2 定高PI算法

采用增量式pid算法，具有①算式中不需要累加?？刂圃隽喀（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關(guān)，容易通過(guò)加權(quán)處理獲得比較好的控制效果；②計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的變化量，故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小、不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)。p項(xiàng)是的公式是前一次的誤差減去這一次的誤差，由于測(cè)量高度是具有相同的時(shí)間間隔，根據(jù)速度公式v=s/t，可以得出機(jī)體在豎直位置的移動(dòng)速度，我們I項(xiàng)是誤差項(xiàng)，重點(diǎn)矯正機(jī)體豎直位置。建立的這樣的數(shù)學(xué)模型，有較好的控制性能。

herror =SetHigh - inputHigh；

hvelocity = herror - last1herror；

last1herror = herror；

hpidoutput += hp * hvelocity + hi * herror；

3 定高PID算法

該算法與上述算法相似，對(duì)微分環(huán)節(jié)做了極大的改進(jìn)，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。算法中BaroAlt是測(cè)得實(shí)際的高度，建立一個(gè)長(zhǎng)度為40的數(shù)組，對(duì)比計(jì)算前20組的高度和后20組的高度的差，反應(yīng)了系統(tǒng)的變化率，能預(yù)見(jiàn)偏差的變化趨勢(shì)，因此能超前控制在偏差未形成前進(jìn)行消除。而且算法中設(shè)定了死區(qū)，使機(jī)體更趨于平穩(wěn)。

#define UPDATE_INTERVAL 25000 // 40hz update rate （20hz LPF on acc）

#define INIT_DELAY 4000000 // 4 sec initialization delay

#define BARO_TAB_SIZE 40

if （currentTime < deadLine） return；

deadLine = currentTime + UPDATE_INTERVAL；

last = BaroHistTab[BaroHistIdx]；

BaroHistTab[BaroHistIdx] = BaroAlt/10；

BaroHigh += BaroHistTab[BaroHistIdx]；

index=（BaroHistIdx + （BARO_TAB_SIZE/2））%BARO_TAB_SIZE；

BaroHigh -= BaroHistTab[index]；

BaroLow += BaroHistTab[index]；

BaroLow -= last；

BaroHistIdx++；

if （BaroHistIdx == BARO_TAB_SIZE） BaroHistIdx = 0；

BaroPID = 0；

//D

temp32 = hd*（BaroHigh - BaroLow） / 40；

BaroPID-=temp32；

EstAlt = BaroHigh*10/（BARO_TAB_SIZE/2）；

temp32 = AltHold - EstAlt；

if （abs（temp32） < 10 && abs（BaroPID） < 10） BaroPID = 0；

//P

BaroPID += hp*constrain（temp32，（-2）*hp，2*hp）/100；

BaroPID = constrain（BaroPID，-150，+150）； //sum of P and D should be in range 150

//I

errorAltitudeI += temp32*hi/50；

errorAltitudeI = constrain（errorAltitudeI，-30000，30000）；

temp32 = errorAltitudeI / 500； //I in range +/-60

BaroPID+=temp32；

4 總結(jié)

本文主要研究了多旋翼飛行器的定高控制的方法，建立模型，設(shè)計(jì)算法，結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其方法進(jìn)行改進(jìn)，完善了多旋翼飛行器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了定高飛行。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周湘淇，劉向東.四旋翼飛行器懸?？刂频难芯縖J].科技視界，2015-6-15.

[2]李飛.四旋翼飛行器姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)的研究[J].2013.

[3]劉麗麗.四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[4]吳中杰.四旋翼飛行器設(shè)計(jì)及其姿態(tài)控制[J].2012.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]