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四轴飞行器姿态控制的算法研究 发布时间:2020-05-18   浏览量:290次

20世纪初四轴飞行器姿态控制的研究并没有得到重视。进入21世纪以来,科技发展迅速,四轴飞行器的研究得以不断开展。其功能不断增多、稳定性及续航时间不断增强,但是其稳定性还不够理想。

针对四轴飞行器稳定性不高的缺点,加入数字信号传输系统,使之能与上位机进行远距离的双向通讯,然后将遥控控制信号传输至飞行器,并将四轴飞行器姿态控制当前的姿态角、高度等信息返回给上位机,在上位机和四轴飞行器之间建立双向的数据链,四轴飞行将遥控信号和飞行器姿态、位置信息反馈给上位机,上位机再经过稳定性测试后,将上述信息再负反馈给四轴飞行器。在通信速度为1Kbps的条件下,可以使其有效距离达到3000米以上,从而达到远距离运行。

四轴飞行器包括四个机翼,四个电机的尺寸相同,每个电机控制一个旋翼,飞行控制计算机控制四个电机,四个电机之间通过支架连接起来,其具体结构形式如图1所示。

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图1四轴飞行器结构图


四轴飞行器通过四个电机的支架构成主要躯干,由躯干的不同运动而形成立体的六个自由度,通过对电机进行不同的加减速而产生对应的离心力。根据离心力的方向来实现对非线性的自由度的控制,从而平衡反转矩,四轴飞行器姿态控制状态分别是以下几种。

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经典的单环位置式PID算法:即PID(output)=P*(姿态角误差)+I*(误差积分)+D*(误差微分),虽然可以做到四轴飞行器的自平衡,但由于误差微分项的严重滞后以及四轴飞行器极不稳定,导致实际的PID整定过程会非常漫长,很难成功。所以我们在此算法上做出改善;通过控制两个单环式PID算法,即串级PID(output)=内环P*(姿态角误差)+内环I*(误差积分)+内环D(角速度)+外环P(姿态角误差)。其内外环P、I、D值对应的公式调节,有以下部分:

(1)比例项内环P输出:内环P的值影响着四轴的稳定性,即P的值与系统稳定性误差K呈正比:

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(2)积分项内环I输出:同理,内环I的值对四轴的稳定性也存在影响,在时间常数的积分下,K与I呈正比关系:

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(3)微分项内环D输出:微分项对于调节偏差值的变化起着至关重要的作用,当偏差值发生变化时,在P端添加一个恒定的偏差值,减小稳定性的误差,提高系统的稳定性:

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(4)比例项外环P输出:同理,外环P的值也影响着四轴的稳定性, P的值与系统稳定性误差K呈正比,逐步提高四轴稳定性:

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综上所述,内外环P、I、D所述得到一条公式,即PID控制的数学表达式:

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对于其串级PID算法步骤,具体实现如图5所示。


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图5串级PID算法流程图

在通过上位机中的数据调节串级PID时,首先设定期望角度,将期望角度输出到角度环PID控制器中,再通过角度环PID输出到角速度环PID控制器中,然后用四个PWM波输出到对应的四个电机上,IMU(惯性测量监控)随时用来重新测量四轴飞行器姿态控制的稳定值。一方面IMU通过负反馈到角速度环PID控制器中,另一方面IMU以3D姿态负反馈到期望角度中,循环之前的步骤,直到调节到相对稳定的平衡值。对于如何整定串级PID值,本文主要从调节串级PID中的内外环P、I、D值,从而使四轴稳定性逐步提高。

通过调节串级PID算法中的内外环P、I、D值,使四轴飞行器姿态控制稳定性大幅度提高,从而顺利地完成负载探测器以及航拍的任务等等。然而在实际操作中,理论与实践还存在一定差距,四轴会受到外部环境的一些干扰。因此还需要对软件部分进行优化,硬件部分进行升级,最终慢慢地达到理想效果。

 

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