解振華 陸軍航空兵學院 101123
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基于雙回路pid控制算法的微型四旋翼設(shè)計
解振華 陸軍航空兵學院 101123
【文章摘要】
使用經(jīng)典PID控制算法實現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID算法簡單可靠,理論體系完備,而且在長期的應用過程中積攢了大量的使用經(jīng)驗,在飛行器位置和姿態(tài)控制應用中具有良好的控制效果和較強的魯棒性,能提供控制量的較優(yōu)解。
【關(guān)鍵詞】
微型四旋翼;動力學模型;pid控制;試驗
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。本文以兩路內(nèi)外環(huán)pid控制算法為基礎(chǔ)結(jié)合自身實驗,從零制作了一款可實現(xiàn)起飛,懸停,翻滾,偏航等復雜運動的微型四旋翼。
建立兩個機體坐標系和慣性坐標系,用歐拉角來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
在動力學模型的基礎(chǔ)上,將微型四旋翼飛行器實時控制算法分為兩個控制回路,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控制算法實現(xiàn)位置控制回路和姿態(tài)控制回路。PID算法簡單可靠,理論體系完備,而且在長期的應用過程中積攢了大量的使用經(jīng)驗,在飛行器位置和姿態(tài)控制應用中具有良好的控制效果和較強的魯棒性,能提供控制量的較優(yōu)解。
3.1飛行控制模塊設(shè)計
采用stm32最小開發(fā)板作為飛行控制核心,它能夠不斷收集來自陀螺儀加速度儀以及超聲波測距器傳遞的有關(guān)飛行器位置姿態(tài)的信息,并通過pid閉合控制回路,通過比對控制誤差,轉(zhuǎn)化成每個電機的pwm波輸入量,進而改變飛行器的受力狀態(tài)。
3.2傳感器模塊設(shè)計
傳感器部分采用mpu6050模塊和超聲波測距器。mpu6050可以實時得到飛行器實時的偏轉(zhuǎn),翻滾,偏航的姿態(tài)信息,并通過卡爾曼濾波算法將信息實時反饋給飛控,供飛控的決策分析,超聲波測距器可以實時得到無人機的飛行高度,并結(jié)合加速儀得到的z軸速度、加速度信息反饋給飛控,從而實現(xiàn)飛行器的定高功能
3.3動力能源模塊設(shè)計
主要采用2204kv2300電機搭配5030槳葉作為動力源,銀燕12A電調(diào)作為驅(qū)動裝置,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。
調(diào)試過程面臨的主要困難,主要是無人機3軸PID控制量的調(diào)節(jié)。
采用試湊法的方式進行調(diào)參數(shù)。分以下幾個步驟進行
4.1先從P開始調(diào)起,將I、D的數(shù)值設(shè)置成0。如果發(fā)現(xiàn)飛行器的左右晃動幅度角度越來越大這時候應當減少P的值。如果發(fā)現(xiàn)飛行器直接朝一側(cè)傾倒,說明P的值過小。如果發(fā)現(xiàn)左右晃動幅度相當,則進入步驟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,反應過快。則說明D的值較大,如果飛行器仍然左右晃動較大,則增大D的值。如果發(fā)現(xiàn)沒有恰當?shù)闹悼梢允沟盟男砥椒€(wěn)飛行,則應當重回到步驟1,換個P值繼續(xù)試湊。直到飛行器能基本平穩(wěn)飛行,則進入步驟3
4.3將I的值設(shè)置為P的十分之一左右的值進行試探,直到飛行器能較好平穩(wěn)飛行。
本文利用stm32最小開發(fā)板作為飛控,在動力學模型的基礎(chǔ)上,將微型四旋翼飛行器實時控制算法分為兩個PID控制回路,即位置控制回路和姿態(tài)控制回路。測試結(jié)果表明系統(tǒng)可通過各個模塊的配合實現(xiàn)對電機的精確控制,具有平均速度快、定位誤差小、運行較為穩(wěn)定等特點。
【參考文獻】
[1]李 俊,李運堂.旋翼飛行器的動力學建模及PID控制.遼寧工程技術(shù)大學學報(自然科學版).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.哈爾濱理工大學學報第3 期.2012,6.