四轴飞行器PID控制算法解析

任务总结之控制算法篇

本飞行器主要采用的是PID控制算法。那么下面先对PID控制算法做一些简要的介绍，下图为PID控制算法的控制框图

图1.1

所谓PID 指的是Proportion-Integral-Differential，翻译成中文是比例-积分-微分。PID 控制率也可以解释为：误差的过去（积分项），现在（比例项）和将来（微分项）的加权和（线性组合）。PID 控制器是工程实际中应用最为广泛的控制器。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或者得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。

（1）比例（P）控制

比例控制是使控制器的输出与输入误差信号e 成比例，仅有比例控制系统输出存在稳态误差。

（2）积分（I）控制

此时控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项的误差取决于时

间的积分，随着时间的增加，积分项误差会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它使控制器的输出增大，使稳态误差进一步减小，直至等于0.因此积分控制可以实现无静差控制。

（3）微分（D）控制

微分控制中。控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系，控制系统存在较大滞后特性时，其输出的变化总是落后于误差的变化。增加微分项，也就相当于它可以预测误差变化的趋势，提前抑制误差，避免被控变量的严重超调。微分控制器能改善系统的动态特性。

由图1.1 可以写出模拟PID 控制器的数学表达式为：

Kp 为比例系数；Ti 为积分时间常数，Td 为微分时间常数。

计算机控制是一种离散的采样控制，因此实际应用的是数字PID 控制器。即将模拟PID 表达式离散化。数字PID 位置型控制算法如下：

其中T为采样时间

对于电机速度的控制，我们采用的是位置型控制PI控制算法，能够达

到我们所需要的调节效果。姿态控制中高度采用的是P控制，角度采用的是PD调节，而旋转控制采用的是PI控制。具体如下：

1控制算法之——角度控制

2 控制算法之——旋转控制

3 控制算法之——高度控制

4 控制算法之电机控制

任务总结之参数整定

PID 控制算法虽然结构简单，易于实现。但缺点在于控制器的参数整定相当繁琐，需要有较强的过程经验。本飞行器在实验过程中用了较多的是试凑法。即通过观察系统的响应曲线，根据各控制参数对系统响应的大致影响，反复试凑参数，已达到满意的响应。但试凑的过程是在控制理论的指导下进行的。其具体的实施过程为：

1 先整定比例部分，将比例系数由小变大，观察相应的系统响应，直至得到响应快，超调小的响应曲线。如果系统静差小到允许范围，响应曲线已属满意，那么只需比例控制即可。

2 如果在比例控制基础上系统静差不能满足设计要求，则要加入积分环节，整定时首先使积分时间Ti 为很大值（实际中使积分系数Ki 为很小值），逐渐增大积分系数，直至静差得到消除，并可以根据响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分系数。得到满意的整定参数。

3 若PI 控制消除了静差，但系统的动态过程仍不能满意，则可以加入微分环节。整定时先使微分系数为0，再在前面PI 基础上增大微分系数Td，直至得到满意的响应。

四旋翼飞行器论文(原理图 程序)..

四旋翼自主飞行器(B题) 摘要 系统以R5F100LE作为四旋翼自主飞行器控制的核心，由电源模块、电机调速控制模块、传感器检测模块、飞行器控制模块等构成。飞行控制模块包括角度传感器、陀螺仪，传感器检测模块包括红外障碍传感器、超声波测距模块、TLS1401-LF模块，瑞萨MCU综合飞行器模块和传感器检测模块的信息，通过控制4个直流无刷电机转速来实现飞行器的欠驱动系统飞行。在动力学模型的基础上，将小型四旋翼飞行器实时控制算法分为两个PID控制回路，即位置控制回路和姿态控制回路。测试结果表明系统可通过各个模块的配合实现对电机的精确控制，具有平均速度快、定位误差小、运行较为稳定等特点。

目录 1 系统方案论证与控制方案的选择............................................................................................. - 2 - 1.1 地面黑线检测传感器............................................................................................................. - 2 - 1.2 电机的选择与论证................................................................................................................. - 2 - 1.3 电机驱动方案的选择与论证................................................................................................. - 3 - 2 四旋翼自主飞行器控制算法设计............................................................................................. - 3 - 2.1 四旋翼飞行器动力学模型..................................................................................................... - 3 - 2.2 PID控制算法结构分析.......................................................................................................... - 3 - 3 硬件电路设计与实现................................................................................................................. - 5 - 3.1飞行控制电路设计.................................................................................................................. - 5 - 3.2 电源模块................................................................................................................................. - 6 - 3.3 电机驱动模块......................................................................................................................... - 6 - 3.4 传感器检测模块..................................................................................................................... - 7 - 4 系统的程序设计......................................................................................................................... - 8 - 5 测试与结果分析......................................................................................................................... - 9 - 5.1 测试设备................................................................................................................................. - 9 - 5.2 测试结果................................................................................................................................. - 9 - 6 总结........................................................................................................................................... - 10 - 附录A 部分程序清单.................................................................................................................. - 11 -

四旋翼飞行器智能控制(A题)

2016年吉林省大学生电子设计竞赛 参赛注意事项 （1）2016年8月31日8:00竞赛正式开始。 （2）参赛队认真填写《登记表》内容，填写好的《登记表》交赛场巡视员暂时保存。 （3）参赛者必须是有正式学籍的全日制在校本、专科学生，应出示能够证明参赛者学生身份的有效证件（如学生证）随时备查。 （4）每队严格限制3人，开赛后不得中途更换队员。 （5）参赛队必须在学校指定的竞赛场地内进行独立设计和制作，不得以任何方式与他人交流，包括教师在内的非参赛队员必须迴避，对违纪参赛队取消评审资格。 （6）2016年9月3日20:00竞赛结束，上交设计报告、制作实物及《登记表》，由专人封存。 四旋翼飞行器智能控制（A） 一、任务 设计并制作一个四旋翼飞行器控制系统，能够按照相应设定要求，实现四旋翼飞行器的自主飞行（为安全起见，要在飞行器底部系上一安全绳）。 二、要求 1.基本要求 （1）自主定点悬停 在地面上设置一个标志点，飞行器在20cm高度上自主定点悬停时间不低于20秒；悬停期间，飞行器中心点横向偏离标志点位移不超过10cm（即要求飞行器上的垂直激光器光点落在以地面标志点为圆心，半径为10cm的圆内），示意图如图1所示。 图1 自主定点悬停示意图

（2）自主定点、定高悬停 如图2所示，第一步从地面标志点飞到离地高20cm 处，稳定悬停10s ；第二步从20cm 处自主提升到离地高60cm 处，稳定悬停10s ；第三步从离地60cm 处自主下降到离地高40cm 处，稳定悬停10s 。悬停期间，飞行器横向偏离地面标志点位移不超过10cm 。高度偏差在5cm 以内。 图2 自主定点、定高悬停示意图 （3）跟踪飞行 如图3所示，由地面A 点起飞，跟随地面标志（标志可移动）或者自主飞至距离A 点2m 处的任意地面B 点降落，降落点（飞行器中心点）距离B 点偏差小于15cm ，完成时间小于30s 。 15cm 图3 跟踪飞行示意图 2.发挥部分 （1）在飞行器的某个单臂上悬挂重物（重物质量不小于飞行器整体质量的10%），悬挂点位置在飞行器中心到最外端的1/2以外的任意位置。完成基本要求（1）的内容； （2）在飞行器的某个单臂上悬挂重物（重物质量不小于飞行器整体质量的10%），悬挂点位置在飞行器中心到最外端的1/2以外的任意位置。完成基本要求（2）的内容；

四旋翼飞行器实验报告

实验报告 课程名称：《机械原理课内实验》 学生姓名：徐学腾 学生学号：1416010122 所在学院：海洋信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 报导教师：宫文峰 2016年6 月26 日

实验一四旋翼飞行器实验 一、实验目的 1.通过对四旋翼无人机结构的分析，了解四旋翼无人机的基本结构、工作的原理和传动控制系统； 2. 练习采用手机控制终端来控制无人机飞行，并了解无人机飞行大赛的相关内容，及程序开发变为智能飞行无人机。 二、实验设备和工具 1. Parrot公司AR.Drone 2.0四旋翼飞行器一架； 2. 苹果手机一部； 3. 蓝牙数据传输设备一套。 4. 自备铅笔、橡皮、草稿纸。 三、实验内容 1、了解四旋翼无人机的基本结构； 2、了解四旋翼无人机的传动控制路线； 3、掌握四旋翼无人机的飞行控制的基本操作； 4、了解四旋翼无人机翻转动作的机理； 5、能根据指令控制无人机完成特定操作。 四、实验步骤 1、学生自行用IPHONE手机下载并安装AR.FreeFlight四旋翼飞行器控制软件。 2、检查飞行器结构是否完好无损； 3、安装电沲并装好安全罩； 4、连接WIFI，打开手机AR.FreeFlight软件，进入控制界面； 5、软件启动，设备连通，即可飞行。 6、启动和停止由TAKE OFF 控制。 五、注意事项 1.飞行器在同一时间只能由一部手机终端进行控制； 2. 飞行之前，要检查螺旋浆处是否有障碍物干涉； 3. 飞行之后禁止用手去接飞行器，以免螺旋浆损伤手部； 4. 电量不足时，不可强制启动飞行； 5. 翻转特技飞行时，要注意飞行器距地面高度大于4米以上； 6. 飞行器不得触水； 7. 飞行器最大续航时间10分钟。

四旋翼飞行器建模与仿真Matlab

四轴飞行器的建模与仿真 摘要 四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如:爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用动力学模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立的仿真模型，模型建立后在Matlab/simulink软件中进行仿真。 关键字:四旋翼飞行器,动力学模型，Matlab/simulink Modeling and Simulating for a quad-rotor aircraft ABSTRACT The quad-rotor is a VTOL multi-rotor aircraft. It is very fit for the kind of reconnaissance mission and monitoring task of near-Earth, so it can be used in a wide range of military and civilian applications. In the dissertation, the detailed analysis and research on the rack structure and dynamic characteristics of the laboratory four-rotor aircraft is showed in the dissertation. The dynamic model of the four-rotor aircraft areestablished. It also studies on the force in the four-rotor aircraft flight principles and course of the campaign to make the research and analysis. The four-rotor aircraft has many operating status, such as climbing, downing, hovering and rolling movement, pitching movement and yawing movement. The dynamic model is used to describe the four-rotor aircraft in flight in the dissertation. On the basis of the above analysis, modeling of the aircraft can be made. Dynamics modeling is to build models under the principles of flight of the

四轴飞行器姿态控制算法

姿态解算 姿态解算(attitude algorithm), 是指把陀螺仪，加速度计, 罗盘等的数据融合在一起，得出飞行器的空中姿态，飞行器从陀螺仪器的三轴角速度通过四元数法得到俯仰，航偏，滚转角，这是快速解算，结合三轴地磁和三周加速度得到漂移补偿和深度解算。 姿态的数学模型坐标系姿态解算需要解决的是四轴飞行器和地球的相对姿态问题。地理坐标系是固定不变的，正北，正东，正上构成了坐标系的X，Y ，Z 轴用坐标系R 表示，飞行器上固定一个坐标系用r 表示，那么我们就可以适用欧 姿态的数学表示姿态有多种数学表示方式，常见的是四元数，欧拉角，矩阵和轴角。在四轴飞行器中使用到了四元数和欧拉角,姿态解算的核心在于旋转。姿态解算中使用四元数来保存飞行器的姿态，包括旋转和方位。在获得四元数之后，会将其转化为欧拉角，然后输入到姿态控制算法中。姿态控制

算法的输入参数必须要是欧拉角。AD 值是指MPU6050 的陀螺仪和加速度值，3个维度的陀螺仪值和 3 个维度的加速度值，每个值为16位精 度。AD 值必须先转化为四元数，然后通过四元数转化为欧拉角。在四 轴上控制流程如下图： 面是用四元数表示飞行姿态的数学公式，从 MPU6050 中采集的数据经过下面的公式计算就可以转换成欧拉角，传给姿态PID 控制器中进行姿态控制.

PID 控制算法先简单说明下四轴飞行器是如何飞行的,四轴飞行器的螺旋桨与空气发生相对运动，产生了向上的升力，当升力大于四轴的重力时四轴就可以起飞了。四轴飞行器飞行过程中如何保持水平：我们先假设一种理想状况：四个电机的转速是完全相同的是不是我们控制四轴飞行器的四个电机保持同样的转速，当转速超过一个临界点时（升力刚好抵消重力）四轴就可以平稳的飞起来了呢？答案是否定的，由于四个电机转向相同，四轴会发生旋转。我们控制四轴电机1和电机3同向，电机2电机4反向，刚好抵消反扭矩，巧妙的实现了平衡, 但是实际上由于电机和螺旋浆本身的差异，造成我们无法做到四个电机产生相同的升力，这样飞行器起飞之后就会失去平衡。 PID 控制器 PID 控制器通过PID 三个参数来对被控对象进行控制，是应用最广泛一种的控制器

小型简易四旋翼飞行器的设计与实现

检索报告 小型简易四旋翼飞行器设计与实现 系所：电子工程系 专业：集成电路设计与制造 班级：集成12003班 姓名：段继蒙 学号：12160500309 检索日期： 2015年 5月 31日

前言： 四旋翼式飞行器因其起飞和降落所需空间较少，在障碍物密集环境下的操控性较高，以及飞行器姿态保持能力较强的优点，在民用和军事领域都有广泛的应用前景。其中，小型四旋翼飞行器的研究近年来日趋成熟，并为自动控制，先进传感技术以及计算机科学等诸多技术领域的融合研究提供了一个平台。在空中机器人智能控制，三维路径规划，多飞行器空中交通管理和碰撞规避等方面，小型四旋翼飞行器控制系统都具有很高的研究价值。本论文对小型四旋翼飞行器的多种飞行控制算法展开研究，并通过大量的计算机仿真加以验证。论文的主要工作和贡献如下： 1）小型四旋翼飞行器动力学建模：将四旋翼飞行器看作刚体，选取影响飞行器运动的关键受力和力矩，之后根据牛顿定律和欧拉方程，推导出关于三个平动位移量和三个转动位移量的动力学方程。 2）基于经典PID算法的四旋翼飞行器系统的控制：设计了一个基于经典PID算法的控制系统。在该系统中，将整个控制结构分为内环控制（姿态控制）和外环控制（飞行位置控制）两个闭合环路，分别进行设计。该控制系统可使飞行器准确飞抵目标位置，并在该位置保持盘旋状态下的稳定。 3）基于Backstepping方法的四旋翼飞行器系统的控制：根据四旋翼飞行器系统的状态方程，运用Backstepping方法推导出使系统稳定的控制量表达式。仿真结果显示，该控制器与基于经典PID算法的控制器相比，在系统响应超调，上升时间和稳定时间三个方面均有明显改善。 4）基于Backstepping方法的四旋翼飞行器系统的自适应控制：在之前设计的基于Backstepping方法的控制器的基础上，设计了分别针对未知质量和外界干扰的估计器，从而使新设计的控制器具有自适应性。仿真结果显示，该控制器在飞行器质量阶梯式递减和存在一定形式的外界小扰动的情况下，仍然能保持系统的稳定，从而验证了该控制系统的鲁棒性。纵观全文，在所建立的小型四旋翼飞行器动力学模型的基础上，本文在控制系统的设计过程中遵循了由简单到复杂的方法论，在前一步设计的控制系统基础上引入新的控制算法和结构，使飞行器最终在基于Backstepping方法的自适应控制系统的控制下，表现出良好的稳定性和鲁棒性，从而为四旋翼飞行器的实际工程应用提供了重要的理论基础。