四轴飞行器飞控PID算法
四轴专用PID参数整定方法及原理
给四轴调了好久的PID，总算是调好了，现分享PID参数整定的心得给大家，还请大家喷的时候手下留情。
首先说明一下，这篇文章的主旨并不是直接教你怎么调，而是告诉你这么调有什么道理，还要告诉大家为什么…只‟使用PID的四轴会在飞行中震荡，告诉大家为什么光使用PID并不能实现对四轴姿态‘足够好’的控制。
文章中还是涉及了不少自控原理和其他控制相关的姿势，没有一点底子的话确实会看着很困惑（不然那么些人花好几年学控制还有什么意义？）。
如果你只想知道结论的话，直接看文章开头和结尾部分就好了（作者也支持大家这么做，这样被喷的几率就小了=_=）。
本人是刚刚转行学控制，思考错误的地方还请各位大神批评指正。
Ps：用wps画系统框图太费劲了，于是就一个豆没有画……，大家不会怪罪我吧？PID控制器是什么？我想每一个看到这里的人都对PID的概念有了足够的了解，我一遍遍叽歪比例积分微分没有任何意义。
这里我只想说一些大家提的较少的‘重点’内容：PID控制器是一个线性的控制器！从这里开始我们进入正题了，虽然若干年来PID已然成为了世界上使用最普遍的控制方法，也逐渐被人们神话到几乎可以控制一切………………但是，从理论上来说，只有‘线性的，符合要求的’被控系统才能在PID控制下实现良好的控制效果。
所以说，我们首先第一步，要保证我们的被控系统在被PID控制的区域‘表现为’一个线性系统才行。
于是这里有人会说了，现实中没有哪个系统是线性的，自然，我们的四轴飞行器在大范围内是一个非常典型的非线性系统（随便按照理论推推模型就会出现漫天的三角函数），也就是说，我们‘仅’使用标准PID控制的话是不可能让四轴从各个姿态回到目标状态的过程都能保持稳定。
于是这里出现我们使用PID时要注意的第一个问题：我们的PID控制只能工作在四轴角度偏移不大的一个近似线性的区域内。
这个区域没有定论，不过你要是飞机偏了90°的话想用PID调回到水平状态指定是非常危险的事情。
pid算法公式详解
pid算法公式详解
PID算法，即比例（proportional）、积分（integral）、微分（derivative）控制算法，是一种应用广泛的控制算法。
它结合了比例、积分和微分三种环节于一体，适用于连续系统的控制。
在工业应用中，它是最广泛算法之一，如四轴飞行器、平衡小车、汽车定速巡航、温度控制器等场景均有应用。
PID算法的公式如下：
\[U(t)=K_p e(t)+K_i\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau+K_d frac{de(t)}{dt}\]
其中，
-\(U(t)\)是控制器输出的控制信号；
-\(e(t))是控制器输入的误差信号；
-\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)是比例、积分和微分系数；
-(\int_{0}^{t}e(\tau)d\tau)是误差信号的累积值，即积分项；
-(\frac{de(t)}{dt}\)是误差信号的变化率，即微分项。
这个公式描述了PID控制器如何根据当前的误差以及过去的误差来计算出控制信号。
比例项反映了当前误差的大小，积分项反映了过去误差的累积，微分项反映了误差变化的趋势。
通过调整这三个参数，可以实现对系统的精确和快速控制。
四轴飞行器的串级PID参数整定经验
四轴飞行器的串级PID参数整定经验四轴飞行器的串级PID参数整定是提高飞行控制系统性能的重要一环。
串级PID控制器使用两层PID控制环节，分别为外环和内环。
外环控制飞行器的姿态（如俯仰、横滚和偏航），内环控制飞行器的速度和加速度。
通过串级PID控制器，可以实现更加精确和稳定的飞行控制。
串级PID参数整定的经验可以总结如下：1.确定目标性能：首先需要明确所需的飞行器性能指标，比如姿态的保持精度、速度的响应时间等。
这有助于确定整定参数的侧重点。
2.外环参数整定：外环控制飞行器的姿态，常用的整定方法有试错法和经验法。
试错法通过修改PID控制器的参数，观察飞行器的响应，不断进行调整，直到得到满意的结果。
经验法则是基于先前成功结果得到的经验，如果有类似的应用场景可以参考。
整定时可以逐步增大比例增益和积分时间常数，观察系统的响应，并通过逐步减小参数调整的幅度来找到最佳参数设置。
3.内环参数整定：内环控制飞行器的速度和加速度，一般采用相同的参数整定方法。
整定时需根据飞行器的速度动态特性和外环响应时间来选择合适的参数。
通常需要先调整PID参数的比例增益，使系统快速响应。
然后，通过增加积分时间常数来减小误差，最后根据需要进一步微调参数。
4.联合整定：外环和内环之间相互影响，需要进行联合整定。
通常是先确定外环的整定参数，然后根据外环参数确定内环参数。
可以根据外环参数和飞行器的动力学特性选择合适的内环参数，然后通过试错法进行微调。
5.飞行试验和调整：进行参数整定后，进行实际飞行试验来验证系统的性能是否满足要求。
根据飞行试验结果，对参数进行进一步微调，直到达到满意的飞行控制性能。
总的来说，串级PID参数整定是一个迭代的过程，需要根据实际情况进行调整。
经验是根据先前成功的整定结果总结得出的，但是不同的控制系统可能存在不同的参数整定方法和经验。
因此，在实际应用中，需要根据飞行器的具体情况和要求进行参数整定，并进行实时监控和调整，以达到最佳的飞行控制性能。
四轴PID控制算法详解(单环PID、串级PID)
正文开始：这篇文章分为三个部分：•PID原理普与•常用四轴的两种PID算法讲解(单环PID、串级PID)•如何做到垂直起飞、四轴飞行时为何会飘、如何做到脱控？PID原理普与1、对自动控制系统的基本要求：稳、准、快：稳定性（P和I降低系统稳定性，D提高系统稳定性）：在平衡状态下，系统受到某个干扰后，经过一段时间其被控量可以达到某一稳定状态；准确性（P和I提高稳态精度，D无作用）：系统处于稳态时，其稳态误差；快速性（P和D提高响应速度，I降低响应速度）：系统对动态响应的要求。
一般由过渡时间的长短来衡量。
2、稳定性：当系统处于平衡状态时，受到某一干扰作用后，如果系统输出能够恢复到原来的稳态值，那么系统就是稳定的；否则，系统不稳定。
3、动态特性（暂态特性，由于系统惯性引起）：系统突加给定量（或者负载突然变化）时，其系统输出的动态响应曲线。
延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间、超调量和振荡次数。
通常：上升时间和峰值时间用来评价系统的响应速度；超调量用来评价系统的阻尼程度；调节时间同时反应响应速度和阻尼程度；4、稳态特性：在参考信号输出下，经过无穷时间，其系统输出与参考信号的误差。
影响因素：系统结构、参数和输入量的形式等5、比例（P）控制规律：具有P控制的系统，其稳态误差可通过P控制器的增益Kp来调整：Kp越大，稳态误差越小；反之，稳态误差越大。
但是Kp越大，其系统的稳定性会降低。
由上式可知，控制器的输出m(t)与输入误差信号e(t)成比例关系，偏差减小的速度取决于比例系数Kp：Kp越大，偏差减小的越快，但是很容易引起振荡（尤其是在前向通道中存在较大的时滞环节时）；Kp减小，发生振荡的可能性小，但是调节速度变慢。
单纯的P控制无法消除稳态误差，所以必须要引入积分I控制。
原因：（R为参考输入信号，Kv为开环增益）当参考输入信号R不为0时，其稳态误差只能趋近于0，不能等于0。
因为开环增益Kv不为0。
6 比例微分（PD）控制规律：可以反应输入信号的变化趋势，具有某种预见性，可为系统引进一个有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，而从提高系统的稳定性。
四轴飞行器飞行原理与双闭环PID控制
四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，相对于固定翼飞行器，它的方向控制灵活、抗干扰能力强、飞行稳定，能够携带一定的负载和有悬停功能，因此能够很好地进行空中拍摄、监视、侦查等功能，在军事和民用上具备广泛的运用前景。
四轴飞行器关键技术在于控制策略。
由于智能控制算法在运行复杂的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器计算能力受限，难以达到飞行控制实时性的要求；而PID控制简单，易于实现，且技术成熟，因此目前主流的控制策略主要是围绕传统的PID控制展开。
1 四轴飞行器的结构与基本飞行原理四轴飞行器结构主要由主控板和呈十字交叉结构的4个电子调速器、电机、旋浆组成，电机由电子调速器控制，主控板主要负责解算当前飞行姿态、控制电调等功能。
以十字飞行模式为例，l号旋翼为头，1、3号旋翼逆时针旋转，2、4号旋翼顺时针旋转，如图1所示。
图1 四轴飞行器结构图参照飞行状态表1变化电机转速，由于四个电机转速不同，使其与水平面倾斜一定角度，如图l所示。
四个电机产生的合力分解为向上的升力与前向分力。
当重力与升力相等时，前向分力驱动四轴飞行器向倾斜角度的方向水平飞行。
空间三轴角度欧拉角分为仰俯角、横滚角、航向角：倾斜角是仰俯角时，向前、向后飞行；倾斜角是横滚角时，向左、向右飞行；而倾斜航向角时，向左、右旋转运动，左(右)旋转是由于顺时针两电机产生的反扭矩之和与逆时针两电机产生的反扭矩之和不等，即不能相互抵消，机身便在反扭矩作用下绕z轴自旋转。
2 姿态解算四轴飞行器运用姿态解算计算出空间三轴欧拉角。
结构框架如图2所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，而磁力传感器采样得到三轴地磁场值，将陀螺仪、加速度传感器、磁力传感器采样后的数据进行标定、滤波、校正后得到三轴欧拉角度，其中陀螺仪和加速度传感器选用MPU6050芯片，磁力传感器选用HMC5883L芯片，采用IIC总线与主控板通信。
图2 姿态解算结构图由于传感器存在器件误差，因此在使用前需要标定。
基于stm32小型四轴飞行器PID参数整定
• 37•基于stm32小型四轴飞行器PID参数整定广东理工学院 罗昌恩 张国林 戴 毅导语：本文针对STM32的小型四旋翼建模，对其进行PID控制器进行设计以及数据仿真，着重讨论参数整定，以及分段比例控制，死区，积分分离，过饱和PID控制算法对其稳定性的作用关键词：四轴飞行器；PID控制器；参数整定；算法1.现状四轴飞行器有着小巧灵活，稳定可靠，成本可观姿态丰富，模块化程度高的特点，此飞行器是一款备受关注的垂直起降无人机，有不错的市场前景，日趋完善的控制技术让无人机能完成更加出色的飞行姿态，满足更多领域的需求。
2.四轴飞行器的设计2.1 飞控硬件模块表1 硬件硬件模块模块组成电机有刷电机其具有维修更换成本低、质量轻、体积小、控制简单等特点电调MOS管驱动单个MOS管就能驱动有刷电机，所以针对基于STM32的微型无人机采用MOS管驱动电池 3.7V/250mAh锂电池。
飞控MCU：STM32F407通信模块：NRF24L01+无线发射接收传感器模块：MPU92502.2 控制原理在姿态控制运算上，国外科研机构通过他们的研究成果表明：PID控制算法相比诸多高级控制算法，如非线性控制、预测控制、滑模变控制等，对模型精度要求大大降低，所以将PID控制算法应用于姿态控制上效果更加理想。
飞行姿态控制主要有智能控制算法与PID控制算法两大种类，前者相比后者对微处理器要求较高，所以基于STM32为核心的四轴飞行器使用的PID控制算法是四轴飞行器目前的最优算法。
其中PID控制针对无人机作用如下：比例P能够迅速对误差信号进行响应，将误差比例放大作为控制量的输出。
积分I主要用于消除无人机系统静态误差，提高追踪精度。
微分D主要是提高无人机系统响应速度，增强无人机系统稳定性，通过误差变化趋势提前产生控制量。
PID控制器结构简单，能对控制量偏右起到有效的抑制作用。
四轴飞行器的飞行原理：前后桨间隔安装，各桨旋转方向与相邻螺旋桨相反，提供相同的动力方向（图1）。
四轴飞行器调试PID一般步骤.doc
PID调试一般原则
a.在输出不振荡时，增大比例增益P。
b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。
一般步骤
a.确定比例增益P
确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。
输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。
比例增益P调试完成。
b.确定积分时间常数Ti
比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。
记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。
积分时间常数Ti调试完成。
c.确定积分时间常数Td
积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。
若要设定，与确定P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
d.系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
简单口诀:
参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加
曲线振荡很频繁，比例度盘要放大
曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳
曲线偏离回复慢，积分时间往下降
曲线波动周期长，积分时间再加长
曲线振荡频率快，先把微分降下来
动差大来波动慢。
微分时间应加长
理想曲线两个波，前高后低4比1
一看二调多分析，调节质量不会低。
飞控PID控制方法简介
PID控制仿真实验 1)纯P调节
纯P调节（Kp大，稳态误差小，响应快，但超调大）
PI调节
PI调节（①Ti小，响应速度加快，超调大，系统 振荡加剧；②在同样积分常数Ti下，减小比例增 益Kp可引入微分项，提高了响应速度，增 加了系统的稳定性但不能消除系统的余差；② 微分时间越大，微分作用越强，响应速度越快， 系统越稳定）
u (k ) K p e(k ) K I e(i ) K D [e(k ) e(k 1)]
i 0 k
u(k)是第k次采样时刻计算机计算的PID控制器输 出值，e(k)是第k次采样时刻控制器输入的误差 数字PID增量式控制算法是在位置式控制算法 公式的基础上推算而来，其表达式为：
PID控制
在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I） 和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调 节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具 有易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参 数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证 明，对于过程控制的典型对象──“一阶滞后＋纯 滞后”与“二阶滞后＋纯滞后”的控制对象， PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续 系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整 定方式简便，结构改变灵活（PI,PD、…）。
PID调节
PID调节（PD基础上I作用的引入消除了余差，达到了理想的多项 性能指标要求：超调、上升时间、调节时间、余差等）
谢谢大家！
u(k ) K P e(k ) K I e(k ) K D [e(k ) e(k 1)]
式中，
e(k ) e(k ) e(k 1)
姿态控制器采用串级PID控制方法，内回路为角 速度控制回路，外回路为角度控制回路。如图 4 和 所示，其中 r 是 三个欧拉角的参考值， w 是外 分别是欧拉角的角度和角速度的测量值， U 是内环PID控制器的 环PID控制器的输出值， 输出值。