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計

解振華 陸軍航空兵學院 101123

【文章摘要】

使用經典PID控制算法實現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。

【關鍵詞】

微型四旋翼；動力學模型；pid控制；試驗

0　引言

微型四旋翼具有良好的懸停性能，在室內等狹小空間內能夠出色的完成偵查任務，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。本文以兩路內外環(huán)pid控制算法為基礎結合自身實驗，從零制作了一款可實現起飛，懸停，翻滾，偏航等復雜運動的微型四旋翼。

1飛行動力學建模

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構圖

u2=F4-F2

u3=F3-F1

u4=F2+F4-F3-F1

2　雙回路PID控制算法結構分析

在動力學模型的基礎上，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。算法結構如圖B-1所示。

使用經典PID控制算法實現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　硬件設計

3.1飛行控制模塊設計

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，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，從而實現飛行器的定高功能

3.3動力能源模塊設計

主要采用2204kv2300電機搭配5030槳葉作為動力源，銀燕12A電調作為驅動裝置，使用25c1500ma電池作為飛行能源經電源分壓模塊，分別給飛控及電調供電。

4　試驗及總結

調試過程面臨的主要困難，主要是無人機3軸PID控制量的調節(jié)。

采用試湊法的方式進行調參數。分以下幾個步驟進行

4.1先從P開始調起，將I、D的數值設置成0。如果發(fā)現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)現飛行器直接朝一側傾倒，說明P的值過小。如果發(fā)現左右晃動幅度相當，則進入步驟2

4.2調整D的值。如果D的值加上之后，飛行器出現劇烈抖動，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)現沒有恰當的值可以使得四旋翼平穩(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。測試結果表明系統(tǒng)可通過各個模塊的配合實現對電機的精確控制，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計.哈爾濱理工大學學報第3 期.2012，6.