基于PID的四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓星 朱昊天 李夢(mèng)泉 周杰鑫

摘 要：本文基于對(duì)四旋翼飛行器的了解，闡述了四旋翼飛行器模型構(gòu)建，根據(jù)PID算法對(duì)四旋翼姿態(tài)控制方法進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)其控制系統(tǒng)的總體方案、硬件模塊和軟件模塊等設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行深入研究，切實(shí)提高飛行器控制質(zhì)量和水平，為現(xiàn)代化、智能化社會(huì)發(fā)展奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：PID算法;姿態(tài)控制系統(tǒng);硬件模塊

引言：隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)憑借其制造成本低、操作簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，使用范圍已經(jīng)逐步普及，但是其姿態(tài)控制是在模型控制的基礎(chǔ)上建立的，在使用過(guò)程中極易受到外界因素干擾而產(chǎn)生消極影響，因此需要對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，確保其具備較高的使用性能。

一、四旋翼飛行器模型構(gòu)建條件

對(duì)于四旋翼飛行器來(lái)說(shuō)，其在飛行過(guò)程中主要是依靠姿態(tài)控制進(jìn)行實(shí)際運(yùn)作的，能夠隨意的改變飛行器的位置和姿態(tài)變化。在進(jìn)行四旋翼飛行器模型構(gòu)建時(shí)，需要對(duì)其控制算法進(jìn)行有效選擇。首先，需要將四旋翼飛行器看做為結(jié)構(gòu)對(duì)稱、質(zhì)量均勻的個(gè)體，在此基礎(chǔ)上不考慮外界因素對(duì)其產(chǎn)生的影響，比如變形、彈性振動(dòng)等;其次，促使機(jī)體的幾何中心、機(jī)體坐標(biāo)系和機(jī)體重心保持在統(tǒng)一位置，才能確保模型構(gòu)建的真實(shí)性[1];再次，一般情況下四旋翼飛行器始終處于低空飛行狀態(tài)，且時(shí)間始終保持在固定范圍內(nèi)，因此在模型構(gòu)建過(guò)程中可以將空氣流速、地球自轉(zhuǎn)等外界因素忽略，在此基礎(chǔ)上，其重力加速度的變化范圍具有較強(qiáng)限制性，還可以假設(shè)重力加速度在飛行過(guò)程中始終處于不變狀態(tài);最后，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的向上升力和轉(zhuǎn)速的平方始終呈正比狀態(tài)，相應(yīng)的，其與產(chǎn)生的扭矩也成正比，以此為依據(jù)應(yīng)用算法對(duì)四旋翼飛行器運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行構(gòu)建，才能確保其具有較強(qiáng)的真實(shí)性和可行性。

二、基于PID的四旋翼姿態(tài)控制方法分析

通常情況下，在工程實(shí)踐過(guò)程中PID控制算法的應(yīng)用具有較強(qiáng)的普遍性和可操作性，其運(yùn)作的基本原理主要是對(duì)系統(tǒng)原有設(shè)定的數(shù)值與輸出值之間進(jìn)行做差處理，在此基礎(chǔ)上，將獲取到的誤差信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，通過(guò)對(duì)設(shè)定值的大小進(jìn)行反饋、補(bǔ)償和修正，從而達(dá)到預(yù)期料想的輸出值。在實(shí)際四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)中使用PID控制器，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行積分、比例和微分處理，從中獲取處理過(guò)的控制信號(hào)，才能確保實(shí)際獲取數(shù)值具有較強(qiáng)的真實(shí)性。

一般情況下，對(duì)于比例項(xiàng)和積分項(xiàng)來(lái)說(shuō)，分別是用于對(duì)現(xiàn)在和過(guò)去產(chǎn)生的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，而對(duì)于微分來(lái)說(shuō)，其主要是對(duì)未來(lái)誤差的變化走向進(jìn)行有效預(yù)測(cè)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，PID控制就是通過(guò)對(duì)這三項(xiàng)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)加權(quán)控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的目的。

三、基于PID的四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

（一）總體方案

首先，需要將四旋翼飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)其工功能性、影響性等劃分為多個(gè)模塊，主要可分為：電源、主控、通信、載荷等。對(duì)于主控模塊來(lái)說(shuō)，主要是采用型號(hào)適中的單片機(jī)作為核心控制芯片，由于四旋翼飛行器的姿態(tài)解算算法中內(nèi)涵大量浮點(diǎn)運(yùn)算，因此可采用相關(guān)處理器對(duì)系統(tǒng)中主控芯片進(jìn)行浮點(diǎn)控制，能夠有效提升姿態(tài)運(yùn)算的頻率和解算速度，從而提升整體系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;其次，需要緊跟時(shí)代發(fā)展步伐，采用傳感器雙冗余設(shè)計(jì)，能夠有效避免出現(xiàn)損壞或炸機(jī)現(xiàn)象，不僅能夠加快數(shù)據(jù)融合速度，還能進(jìn)一步得到飛行姿態(tài)的相關(guān)準(zhǔn)確數(shù)據(jù);再次，通信模塊顧名思義就是在四旋翼飛行器飛行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)姿態(tài)控制進(jìn)行信息傳輸?shù)哪K，其中包括數(shù)據(jù)傳輸和圖片傳輸兩種方式，主要是對(duì)四旋翼飛行器的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，加強(qiáng)其與控制器之間的信息聯(lián)系;最后，動(dòng)力模塊。其主要是通過(guò)動(dòng)力傳輸，促使四旋翼飛行器能夠平穩(wěn)有效的在空中運(yùn)行，主要包括電調(diào)和四個(gè)螺旋槳兩部分，利用電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的升力和動(dòng)力來(lái)促使四旋翼飛行器有效運(yùn)行[2]。

（二）硬件模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，必須要做好硬件模塊設(shè)計(jì)工作，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)硬件內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，才能盡可能的減少由于外力因素對(duì)控制性能和飛行質(zhì)量產(chǎn)生影響。第一，主控模塊設(shè)計(jì)。主控模塊的關(guān)鍵就是微處理器，其也是整體控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，在實(shí)際運(yùn)作過(guò)程中，不僅能夠?qū)Ω鱾€(gè)傳感器之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性采集，同時(shí)還能進(jìn)行相應(yīng)的處理和傳輸工作，應(yīng)用PID算法對(duì)模塊之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行有效處理和控制，除此之外，由于四旋翼飛行器的姿態(tài)解算算法中包含大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，為了提高其運(yùn)行質(zhì)量和效率，需要對(duì)控制硬件進(jìn)行積極開發(fā)，通過(guò)構(gòu)建仿真器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高通信速率采集、傳輸和仿真;第二，電源管理模塊設(shè)計(jì)。需要根據(jù)實(shí)際飛行器的型號(hào)、供電電壓及電阻等內(nèi)容，對(duì)電源管理模塊進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)，切實(shí)提高了控制系統(tǒng)整體供電的穩(wěn)定性和安全性;第三，姿態(tài)解算模塊設(shè)計(jì)。對(duì)于姿態(tài)解算來(lái)說(shuō)，其可以分為基于四元數(shù)的姿態(tài)更新微分方程和基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法兩種方式，在此基礎(chǔ)上，需要不斷優(yōu)化相應(yīng)的硬件設(shè)施才能達(dá)到系統(tǒng)控制預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，其中主要是對(duì)傳感器、磁力計(jì)、陀螺儀和氣壓計(jì)四種硬件設(shè)備優(yōu)化，切實(shí)提高四旋翼姿態(tài)控制質(zhì)量和效率，同時(shí)還能高質(zhì)量實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的信息收集;第四，通信模塊設(shè)計(jì)。對(duì)于通信模塊來(lái)說(shuō)主要是完成對(duì)地理監(jiān)控系統(tǒng)和信息傳輸?shù)墓δ苣K，主要有遙控器通信和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通信兩種方式，通過(guò)優(yōu)化升級(jí)能夠?qū)w行器的狀態(tài)信息進(jìn)行雙向傳輸，能夠?qū)崿F(xiàn)將四旋翼飛行器的動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行有效顯示。

（三）軟件模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于姿態(tài)控制系統(tǒng)軟件模塊來(lái)說(shuō)，可以將其分為單獨(dú)的層次，同時(shí)還能確保運(yùn)行期間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，能夠在基于PID算法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)底層驅(qū)動(dòng)的模塊化替換，促使整體控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性特點(diǎn)。其中主要是姿態(tài)解算軟件，在實(shí)際姿態(tài)解算過(guò)程中，首先需要以實(shí)際運(yùn)行情況為依據(jù)，對(duì)傳感器內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類收集，通常情況下主要指的是陀螺儀、磁力計(jì)和加速度計(jì)三者內(nèi)涵的數(shù)據(jù)信息，在此基礎(chǔ)上，為了防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)消失、跳變等情況，需要在傳輸過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行低通濾波處理，才能切實(shí)保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，并促使其始終保持平滑狀態(tài)。以PID算法為基礎(chǔ)，采用四元數(shù)進(jìn)行姿態(tài)表示，其各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行方程式帶入，能夠進(jìn)行姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算。除此之外還要加大對(duì)姿態(tài)控制軟件設(shè)計(jì)的重視力度，在四旋翼飛行器中采用串級(jí)PID控制算法，將經(jīng)由傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中的姿態(tài)作為系統(tǒng)的反饋量，并與輸入設(shè)定的姿態(tài)值作差，從而得到PID控制所需的偏量差，將系統(tǒng)中不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)值進(jìn)行記錄，能夠有效實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器姿態(tài)進(jìn)行高質(zhì)量、高效率的控制。

結(jié)論：綜上所述，在基于PID算法背景下，加大對(duì)四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重視力度，是滿足現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，同時(shí)也是飛行器靈活、平穩(wěn)運(yùn)行的重要保證，因此需要對(duì)PID參數(shù)、程序等進(jìn)行精準(zhǔn)確定和優(yōu)化，才能真正意義上確保飛行控制系統(tǒng)充分發(fā)揮出其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙國(guó)榮，何云風(fēng).基于塊對(duì)角理論的四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J/OL].飛行力學(xué)：1-5[2020-10-26].

[2]朱超，張紅欣.基于ANFIS-PID的四旋翼姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)床與液壓，2019，47（11）：163-167.

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué) ?遼寧 ?沈陽(yáng) ?110136）