閆飛云 高瑋 程一鑫 山西省朔州市朔城區(qū)長寧街中北大學(xué)

關(guān)鍵字：PID 姿態(tài)運(yùn)行

引言：該四旋翼飛行器的基本部分主要由主控芯片，飛控板，跟蹤模塊，超聲波模塊，電機(jī)ESC模塊組成。工作原理如下：由 PIX飛控板獲得當(dāng)前的姿態(tài)數(shù)據(jù)（飛控內(nèi)置的陀螺儀，加速度計(jì)自動(dòng)進(jìn)行校準(zhǔn)），交由主控核心 TI TM4 C123進(jìn)行處理并傳遞信號(hào)；隨后采用級(jí)聯(lián)PID控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，經(jīng)PID解決后輸出相應(yīng)的電機(jī)PWM增減，為了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，改變其輸出以調(diào)整電機(jī)速度以調(diào)整飛行姿態(tài)；

在初期階段，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括飛行控制部分和遙控部分。用于距離測量的超聲波傳感器和PID算法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高飛行循跡模塊使用 OV7620攝像頭對(duì)黑線位置進(jìn)行采樣，采樣后進(jìn)行圖像處理功能，把經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)傳輸給控制芯片，從而控制飛機(jī)保持直接飛行在目標(biāo)黑線上方完成跟蹤任務(wù)；與每個(gè)模塊配合使用，四旋翼飛行器可執(zhí)行各種任務(wù)，如懸停和跟蹤。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 飛控板的選擇

PIX飛行控制系統(tǒng)是國外的開源飛行控制系統(tǒng)。內(nèi)部集成了飛行控制的各種傳感器模塊，可以支持固定翼，直升機(jī)，多軸飛機(jī)，并且提供開源代碼支持將個(gè)人的多軸飛行器與先進(jìn)的自動(dòng)飛行技術(shù)結(jié)合起來，飛行穩(wěn)定且容易控制。屬于促進(jìn)四旋翼穩(wěn)定飛行的服務(wù)器。

1.2 電機(jī)的選擇

該無刷電機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng)，噪音低，運(yùn)行平穩(wěn)，使用時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)。而且無刷電機(jī)相對(duì)同類電機(jī)而言轉(zhuǎn)速快且平穩(wěn)，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)于多旋翼模型運(yùn)行穩(wěn)定是一個(gè)巨大的支持。與有刷電機(jī)相比，雖然具有啟動(dòng)快，制動(dòng)快，調(diào)速范圍寬，控制電路比較簡單等特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯：摩擦大，損耗大，發(fā)熱量大，壽命短，效率低，輸出功率低。它不適用于使用多旋翼飛機(jī)。

1.3 循跡模塊

采用圖像處理法，紅外線探測易收到周圍環(huán)境的影響，數(shù)據(jù)處理很不準(zhǔn)確。OV7620攝像頭采集到的圖像更加準(zhǔn)確直觀。通過算法確定黑線中心位置并調(diào)節(jié)飛行器使其飛在黑線正上方。另外，OV7620也可以通過IIC總線進(jìn)行設(shè)置，并具有圖像窗口輸出功能。只保留用戶所需的圖像部分，這大大減少了控制芯片所需的工作量并減少了占用的存儲(chǔ)空間。提高了系統(tǒng)的效率。

1.4 飛行器系統(tǒng)框架如圖

1.5 PID算法

PID調(diào)試就是合理的運(yùn)用 PID的三個(gè)參數(shù)，從系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響速度，在所有方面考慮響應(yīng)速度，數(shù)據(jù)處理量和穩(wěn)定性準(zhǔn)確度，以使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)。

在控制過程中，P字符串ID控制器是一個(gè)自動(dòng)控制器，用于控制偏差（P），積分（I）和導(dǎo)數(shù)（D）的比率。原理簡單易懂，適用范圍廣泛，控制參數(shù)獨(dú)立，參數(shù)類型少，功能強(qiáng)大。PID過程通過誤差信號(hào)控制受控變量，控制器本身是比例，積分和微分三部分的總和。

PID的控制規(guī)律為如下算法 ：

2 方案優(yōu)劣

能夠?qū)崟r(shí)的采集飛行器當(dāng)前的姿態(tài)信息并融合解算出當(dāng)前的歐拉角。采用先進(jìn)的串級(jí)PID控制方法同時(shí)結(jié)合超聲波以及攝像頭模塊反饋回來的信息對(duì)當(dāng)前姿態(tài)角進(jìn)行控制，從而完成俯仰，橫滾、偏航等各種動(dòng)作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單，飛行相對(duì)穩(wěn)定，可擴(kuò)展能力強(qiáng)。

但不足之處在于續(xù)航時(shí)間較短，對(duì)電量的依賴性較大，同時(shí)循跡算法還有待于進(jìn)一步優(yōu)化，在受到外界較大的干擾時(shí)，不好保證飛行的穩(wěn)定。