一种自适应的四轴飞行器PID控制算法文档格式.docx

1、 qq. com 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P1D 2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

2、；MPU6050中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号：2095 - 4565（2020）01 -0005 - 05An Self - adaptive PID Control Algorithm of Four - axis AircraftLI Wei.QIU Xia* ,XU Deli（School of Electrical and Electiunic Information Engineering, Hubei R）lyteclmic Univeraity, Huanhi Hubei 435003）Abstract：The current PID control algori

3、thm adopted by four axis aircraft is easily affected by the environment during the control process, which leads to the great control efifect difference by the same parameter in the different environments and fails to satisfy the diversity demand of different industries. This paper designs and optimi

4、zes the wind tunnel experiment verification and algorithm structure by comparing the single loop PID and double loop PID. An self - adaptive PID control algorithm of single and double - loop parallel adjustment for the four 一 axis aircraft is designed, which enhances the four 一 axis aircraft s adapt

5、ation for environment and improves the flying effect and stability.Key words：four - axis aircraft;PID control;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。例如：在 PID参数保持不变的情况下，当挂载重量为 100 g时，飞行器飞行稳定；当挂载重量为 200 g时，飞行轻微不稳定；当挂载重量为 300 g时，飞行极其不稳定。因此，需要重 新调整PI

6、D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

7、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，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。2 PID控制算法的设计2.1 PID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、

8、积分、微分的函数关系进行运算，运算 结果用以控制输出。PID控制算法公式如下：y = P xe（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，

9、抑制振荡，让系统趋于稳定。2.2 PID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3 PID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

10、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/D1.800.095.90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

11、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。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

12、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。2.2.3 2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

13、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

14、飞行状态调节 不够迅速的问题，确保飞行器能稳定飞行。2. 3 PID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 风洞结构示意图丫 _Pi xe（k） , le（幻 I a _P2 xe（A） , e（k） I Na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）。L xe（幻，le（幻 I b（2）& x e（A） ,6wle（幻 I