一种自适应的四轴飞行器PID控制算法文档格式.docx

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通信作者:

邱霞，副教授，本科，研究方向：

电气自动化控制。

Email：

yinzhaji522@163.com

徐德利

（湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003）

摘要：

目前四轴飞行器采用的P1D控制算法在控制过程中易受环境影响，导致同一参数在不同环境中的控制效果差异极大,无法满足不同行业的差异化需求。

为此，通过对比分析单环PID与双环P1D2种控制算法，进行风洞实验验证与算法结构的设计和优化，设计了一种自适应的四轴飞行器单双环并行调节的P1D控制算法，增强了四轴飞行器对环境的适应性，提高了四轴飞行器的飞行效果和飞行稳定性。

关键词：

四轴飞行器;

PID控制；

MPU6050

中图分类号:

TP273 文献标识码:

A 文章编号：

2095-4565（2020）01-0005-05

AnSelf-adaptivePIDControlAlgorithmofFour-axisAircraft

LIWei.QIUXia*,XUDeli

（SchoolofElectricalandElectiunicInformationEngineering,HubeiR）lyteclmicUniveraity,Huan^hiHubei435003）

Abstract：

ThecurrentPIDcontrolalgorithmadoptedbyfouraxisaircraftiseasilyaffectedbytheenvironmentduringthecontrolprocess,whichleadstothegreatcontrolefifectdifferencebythesameparameterinthedifferentenvironmentsandfailstosatisfythediversitydemandofdifferentindustries.ThispaperdesignsandoptimizesthewindtunnelexperimentverificationandalgorithmstructurebycomparingthesingleloopPIDanddoubleloopPID.Anself-adaptivePIDcontrolalgorithmofsingleanddouble-loopparalleladjustmentforthefour一axisaircraftisdesigned,whichenhancesthefour一axisaircraftsadaptationforenvironmentandimprovestheflyingeffectandstability.

Keywords：

four-axisaircraft;

PIDcontrol;

四轴飞行器因具有飞行性能良好、造价低的优点，被广泛应用于地质测绘、无人航拍等领域。

四轴飞行器以PID控制算法为主，但PID参数的调节易受环境影响，远不能满足不同行业的差异化需求⑴。

例如：

在PID参数保持不变的情况下，当挂载重量为100g时，飞行器飞行稳定；

当挂载重量为200g时，飞行轻微不稳定；

当挂载重量为300g时，飞行极其不稳定。

因此，需要重新调整PID参数，以适应不同的载重需求，确保飞行器稳定飞行。

针对以上问题，提出了一种自适应的四轴飞行器单双环并行调节的PID控制算法，具有成本低、实时性强、数据处理率高的优点。

1四轴飞行器硬件平台的搭建

四轴飞行器实物图如图1所示，主要由机体、电机、集成电路板和遥控器4个部分组成。

电机包括4个无刷电机，分别固定于机体的4个角部上，电机输出轴上均安装有螺旋桨叶片，对角的螺旋桨叶片旋转方向一致，相邻的旋转方向不同。

集成电路板上的集成飞行控制系统固定在机体上，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器。

遥控器通过无线模块与飞行控制系统实现通信连接。

图1四轴飞行器实物图

四轴飞行器通过MPU6050传感器获取飞行器的姿态数值⑵，由无线接收机获取遥控指令，经主控芯片进行数据处理并输出PWM波控制电机转动实现飞行[3-*]o在飞行过程中通过实时改变4个电机的转速配比，实现四轴飞行器上升、下降、悬停及向前、向后、向左、向右等不同姿态的飞行。

传感器在使用过程中会受到各种因素的干扰，从而导致经PID控制算法处理后的输出数据发生突变，所以传感器的输入数据必须保证平滑。

因此，采用限幅滤波与低通滤波相结合的滤波方式来消除干扰。

2PID控制算法的设计

2.1PID控制算法简述

PID控制算法的实质是根据输入的偏差值,按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出⑸。

PID控制算法公式如下：

y=Pxe（i）+/x^e（k）+Dx[e（i）-e（」l）]

（1）

式

（1）中，e（）为目标姿态与实际测量姿态之差涌为PID控制次数；

丫为PID输出；

P为比例调节参数，对偏差做出即时反应，即偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数的大小；

I为积分调节参数，只要偏差不为零，输出就会随时间不断变化，以减小偏差，直到消除偏差，不再起控制作用，系统达到稳态；

D为微分调节参数，调节偏差变化快慢，变化越快，反对作用越强，微分作用有助于减小超调，抑制振荡，让系统趋于稳定。

2.2PID控制算法参数的设计

四轴飞行器的控制算法采用单环PID控制算法与双环PID控制算法2种方案。

2.2.1单环PID控制算法

只对四轴飞行器进行角度测量，构建单环PID控制算法，其输入为X,k,Z三轴的角度，输出为控制4个电机转速的4路PWM波。

单环PID控制示意图如图2所示。

其中，0（礼y,z）为期望角度;

0（x,y,z）measure为测量角度；

'

为输出4路PWM波；

e（幻为第&

次期望角度与测量角度之差。

PID控制调节理想波形如图3所示。

图3PID控制调节理想波形图

通过将反馈回来的姿态角度与姿态期望角度进行对比，以修正四轴飞行器的飞行姿态期望角度，实现平稳飞行。

通过调节PID控制参数，进行飞行测试并记录实验数据。

单环PID控制算法的参数较优值与飞行效果见表1。

表1单环P1D控制算法的参数较优值与飞行效果

参数就值

临瞬

P

/

D

1.80

0.09

5.90

保持基本平稳，般向Y方喝移滩以控制

1.65

雉以平稳,般向Y方向漂移，斟滩以蝴

1.95

难以平稳，调节过激版斜明显，飞行时间很短

由表1可知，采用单环PID控制算法在对四轴飞行器进行飞行姿态调节时存在2个问题。

1）即使采用最优PID参数，其实际飞行效果仍然不佳。

2）飞行器飞行效果对P1D参数极为敏感,仅参数P值波动±

8.3%时，飞行效果就相差极大。

2.2.2双环PID控制算法

双环PID控制示意图如图4所示，分为角度PD环和角速度PID环。

角度PD环的输出作为角速度PID环的期望输入⑹。

其中，侃（幻为三轴期望角度;

。

（幻为三轴反馈角度;

饥0）为三轴期望角速度；

/（*）为三轴反馈角速度M为PID调节次数；

输出为4路PWM波。

实际测试的双环PID控制算法的参数较优值范围见表2。

图4双环P1D控制示意图

表2双环PID控制算法的参数较优值范围

参数

内环

外环

±

15.6%

13.7%

25.1%

23.3%

15.3%

注:

表中百分比范围是相对于上述飞行效果最优时对应环的PID参数而言，且每次仅改变1个参数，其他参数仍为最优值。

采用双环PID控制算法时，四轴飞行器在飞行过程中十分平稳，即使没有进行定高飞行，飞行器依旧能悬停空中。

在前、后、左、右控制过程中，飞行器反应灵敏，同时在停止方向控制后经过较短时间，飞行器也会悬停。

2.2.32种控制算法的对比分析

从飞行效果上看，方案1（单环PID控制）的预期飞行效果是在发生姿态偏离正常稳定飞行状态时，飞行器能够快速进行姿态修正，保持平稳的飞行状态。

但实际情况是即使在最优PID参数下，其飞行姿态也只能勉强朝一个方向倾斜，无法保持平稳的飞行状态。

而方案2（双环PID控制）不仅做到了平稳起降、易于控制，且在空气气流稳定时能够实现空中悬停，飞行效果远优于方案1。

从参数较优值范围上看，在方案1中仅参数P值变化了±

8.3%时，飞行器就已经无法正常飞行，而方案2中最小的参数变化范围为±

13.7%，此时飞行器仍能平稳飞行，方案2的参数较优值范围远大于方案1。

通过对比分析可以发现，单环PID控制算法的参数调节不够迅速，只有当飞行器倾斜到一定角度时，飞行器才能作出反应；

当飞行器倾斜角度较小时，调节无力，倾斜角度较大时反应过激，飞行不稳。

而双环PID控制算法以角度调节作为外环，角速度调节作为内环，外环的角度输出作为内环角速度的期望输入。

当飞行器朝X轴正方向倾斜，经过角度环PD控制器调节，其输出的角速度期望为X轴负方向，使已经朝X轴正方向倾斜的飞行器具有X轴负方向的角速度，以解决飞行器飞行状态调节不够迅速的问题，确保飞行器能稳定飞行。

2.3PID控制算法结构的设计与优化

控制算法的控制效果是由算法结构决定的，并非由单纯的PID参数决定，因此控制算法设计的核心是算法结构的设计。

算法结构的调整可以解决同一算法体系的适用性问题。

要实现飞行器在挂载不同重物时依旧能稳定飞行的目标，可以通过优化算法结构完成。

2.3.1实验验证

选择风洞作为实验对象，进行验证性实验。

自制简易风洞结构⑺由超声波测距传感器、透明圆筒、乒乓球、连接部和风机5个部分组成。

风洞结构示意图如图5所示。

图5风洞结构示意图

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a\_P2xe（A）,\e（k）INa

通过超声波测距实时反馈数据，单片机发出PWM波控制电机转速来实现小球悬停在指定高度。

在实验过程中将乒乓球的悬停高度类比于飞行器的不同载重，PID参数的取值范围类比于系统对不同环境的适应能力，对同一硬件系统设计2种控制算法进行测试。

控制算法1:

采用普通单环PID控制算法结构控制乒乓球悬停在圆筒中指定的位置高度。

普通单环PID控制算法见公式

（1）。

控制算法2：

提出1种改进型的单双环PID控制算法，控制乒乓球悬停在圆筒中指定的位置高度。

改进型单双环PID控制算法见公式

（2）。

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e（幻，le（幻I<

b

（2）

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