四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼无人飞行器双闭环PID控制器设计
四旋翼无人飞行器双闭环PID控制器设计
贺翔;陈奕梅;郭建川;修春波
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2015(037)018
【摘要】针对Qbal-X4四旋翼无人飞行器自身的结构特点,建立了系统的非线性数学模型,基于此模型设计了由姿态内环与位置外环组成的双闭环PID控制器,并根据姿态与位置的耦合关系提出了内外环之间进行控制量校正的方法,以提高控制器的控制精度.最后将该控制器用于Qball-X4系统,成功地实现了室内定点悬停飞行,实验结果验证了该控制方法的有效性以及较好的控制效果.
【总页数】5页(P23-26,36)
【作者】贺翔;陈奕梅;郭建川;修春波
【作者单位】天津工业大学电气工程与自动化,天津 300387;天津工业大学电气工程与自动化,天津 300387;天津工业大学电气工程与自动化,天津 300387;天津工业大学电气工程与自动化,天津 300387
【正文语种】中文
【中图分类】TP271.72
【相关文献】
1.基于单片机四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现 [J], 黄静怡
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四轴飞行控制原理
四轴飞行控制原理四轴飞行器是一种具有四个旋翼的飞行器，通过控制旋转速度和方向来实现飞行。
其控制原理包括传感器感知、飞行动力学建模、控制器设计和电机控制。
1.传感器感知四轴飞行器通常配备有陀螺仪、加速度计、磁力计和气压计等传感器。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量线性加速度，磁力计用于测量地磁场方向，气压计用于测量飞行器的高度。
这些传感器可以提供飞行器在空间中的姿态、位置和速度等信息。
2.飞行动力学建模通过传感器测量的数据，可以对飞行器的姿态进行估计。
姿态估计主要包括姿态角（滚转、俯仰和偏航）的估计和位置的估计。
将姿态和位置的估计值与期望值进行比较，可以得到姿态和位置的误差。
飞行动力学建模主要包括飞行器的动力学方程和状态方程，可以通过这些方程来描述飞行器的姿态、位置和速度等动态变化。
3.控制器设计控制器设计主要是设计一个控制算法来根据传感器测量的数据和期望的姿态和位置来控制飞行器的旋转速度和方向。
通常使用的控制算法包括PID控制器、模型预测控制器、自适应控制器等。
PID控制器是一种常用的控制算法，根据误差的大小和变化率来调整控制信号，从而使飞行器逐渐接近期望的姿态和位置。
4.电机控制四轴飞行器通常使用四个无刷电机来控制旋翼的转速和方向。
通过适当调整电机的转速，可以使飞行器产生所需的推力和力矩，从而实现期望的运动。
电机控制主要包括PWM控制信号的生成、电机转速的调节和电机的航向控制。
PWM控制信号的生成由控制器完成，根据控制器的输出调整电机转速，使旋翼产生所需的推力和力矩。
电机的航向控制通常通过改变电机的转速来实现。
总结：四轴飞行控制原理主要包括传感器感知、飞行动力学建模、控制器设计和电机控制。
通过传感器感知飞行器的角速度、线性加速度、地磁场方向和高度等信息，通过飞行动力学建模估计飞行器的姿态和位置，根据期望的姿态和位置与估计值的误差，设计控制算法来控制飞行器的旋转速度和方向，通过调整电机的转速，使飞行器产生所需的推力和力矩，从而实现期望的飞行。
基于PID的四旋翼姿态控制
Electronic technology・ 电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 175【关键词】四旋翼姿态控制 PI-PD 控制器 控制效果 参数整定近年来，随着微型系统、微型传感器、惯导技术以及飞行控制等技术的发展，四旋翼飞行器（以下简称四旋翼）引起了人们的广泛关注。
四旋翼是通过改变四个旋翼的转速来调整其在空中的飞行姿态，包括俯仰角θ、横滚角φ、偏航角ψ，从而控制机体水平方向上的运动，因此四旋翼的姿态控制是决定其飞行性能的关键所在。
在工业过程控制和航空航天控制等领域中，PID 控制的应用达到80 %以上，不过由于四旋翼系统的强非线性、惯性和延迟，PID 控制器对四旋翼姿态的调整效果往往出现较多的系统超调量，或者调整时间较长，控制效果并不令人满意。
因此，设计一种能够抑制系统超调量，并且保证系统快速收敛的控制器，可以提高四旋翼系统的稳定性和控制性。
1 PID控制器基本原理PID 控制器结构简单、方便调试，广泛应用于工业生产中。
PID 控制器是根据系统输出的误差值调节系统输出的控制形式，包含比例控制（P ）、积分控制（I ）和微分控制（D ），基于PI-PD 控制器的四旋翼姿态控制文/唐健杰 王鑫其连续PID 控制的结构形式为：（1）其中u(t)为系统输出，Kp 、Ki 、Kd 分别为比例、积分和微分系数，e(t)=y(r)-y(t)为期望值与输出量的差值，即输出误差。
而对于数字控制系统，可将PID 控制器离散化，得到离散PID 的结构形式：（2）其中，为所有误差值累加之和，Δe(t)=e(t)-e(t-1)，等效微分运算。
当期望值在相邻的采样周期保持不变时，y(r)=y(r-1)，Δe(t)=-y(t)+y(t-1)，Δe(t)即为系统输出的变化量。
若基于PID 控制器来对四旋翼的姿态进行调控，参数整定难度较大，调控效果不佳。
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计
基于STM32的四旋翼飞行器控制系统设计引言：四旋翼无人机近年来逐渐走向商业化和日常生活化，广泛应用于航拍、货运、农业等领域。
为了保证飞行器的平稳、安全飞行，需要设计一个可靠的控制系统。
本文基于STM32单片机，设计了一种适用于四旋翼飞行器的控制系统。
一、硬件设计1.主控板主控板采用STM32单片机，该单片机具有高性能、低功耗、强大的控制能力等优势。
它能够完成飞行器的数据处理、控制输出等任务。
2.传感器为了获取飞行器的姿态信息，需要使用加速度传感器和陀螺仪。
加速度传感器用于测量飞行器的加速度，陀螺仪用于测量飞行器的角速度。
这些传感器通常被集成在一块模块上，直接连接到主控板。
3.遥控器为了实现飞行器的遥控操作，需要使用遥控器。
遥控器通过无线通信与主控板进行数据传输，控制飞行器的起降、悬停、转向等操作。
4.电源管理飞行器控制系统需要提供可靠的电源供电。
因此，需要设计一个电源管理模块，包括锂电池、电池充电管理电路和电源开关等。
二、软件设计1.姿态估计通过加速度计和陀螺仪的数据，使用滤波算法（如卡尔曼滤波）对飞行器的姿态进行估计。
根据姿态的估计结果，可以计算出飞行器的控制输出。
2.控制算法针对四旋翼飞行器，常用的控制算法有PID控制算法和模糊控制算法。
PID控制算法通过比较飞行器的期望姿态和实际姿态，计算出相应的控制输出。
模糊控制算法可以根据模糊规则和模糊集合来计算出控制输出。
3.通信模块为了实现与遥控器之间的无线通信，需要使用无线通信模块，例如蓝牙模块或者无线射频模块。
通过与遥控器进行数据传输，可以实现遥控操作，并接收遥控器发送的命令。
三、控制流程1.初始化飞行器启动时，首先进行传感器的初始化，包括加速度传感器和陀螺仪的初始化。
然后进行电源管理的初始化，确保电源供电正常。
2.传感器数据采集通过传感器采集飞行器的姿态数据，包括加速度和角速度。
3.姿态估计根据传感器采集的数据，使用滤波算法对飞行器的姿态进行估计。
pid在四旋翼上的应用原理
PID在四旋翼上的应用原理1. 引言四旋翼作为一种常见的无人机类型，其稳定飞行是实现任务的关键要素。
而PID控制器作为一种经典的控制算法，被广泛应用于四旋翼的飞行控制中。
本文将介绍PID控制器在四旋翼飞行控制中的应用原理。
2. PID控制器简介PID控制器是一种经典的反馈控制算法，其名称来源于三个控制参数：比例系数（P）、积分系数（I）和微分系数（D）。
PID控制器的基本原理是通过对系统输出和参考输入的误差进行测量，并根据比例、积分和微分的关系来调整输出。
具体来说，PID控制器根据误差的大小和变化趋势来计算控制输出，以使系统快速、稳定地达到期望的状态。
3. PID在四旋翼飞行控制中的应用在四旋翼飞行控制中，PID控制器主要应用于姿态控制和高度控制两个方面。
3.1 姿态控制四旋翼的姿态控制主要包括俯仰控制、横滚控制和偏航控制。
PID控制器通过测量四旋翼当前的姿态（包括俯仰角、横滚角和偏航角）和期望的姿态，计算出相应的控制输出，以实现期望的姿态调整。
具体的控制过程如下：•P控制：根据当前姿态和期望姿态的误差，按比例系数计算出P控制量。
P控制主要用于响应误差，能够快速消除较大的姿态误差，但缺乏稳定性。
•I控制：根据当前姿态和期望姿态的误差累积，按积分系数计算出I 控制量。
I控制主要用于消除静差，能够持续调整姿态直至误差为0。
•D控制：根据当前姿态和期望姿态的误差变化率，按微分系数计算出D控制量。
D控制主要用于抑制姿态的震荡，能够使系统更加稳定。
通过综合考虑P、I和D控制量，PID控制器能够实现四旋翼姿态的精确控制。
3.2 高度控制四旋翼的高度控制主要包括上升和下降控制。
PID控制器通过测量四旋翼当前的高度和期望的高度，计算出相应的控制输出，以实现期望的高度调整。
具体的控制过程如下：•P控制：根据当前高度和期望高度的误差，按比例系数计算出P控制量。
P控制主要用于响应误差，能够快速消除较大的高度误差，但缺乏稳定性。
PID算法在四旋翼飞行器上的应用
PID算法在四旋翼飞行器上的应用
PID算法是一种用于控制系统的自适应控制算法，常用于四旋翼飞行器的控制系统中。
四旋翼飞行器是一种能够通过旋转四个螺旋桨来实现飞行的无人机，具有机动性好、稳定
性高的特点。
在四旋翼飞行器的控制系统中，PID算法可以用于控制飞行姿态、稳定飞行
高度以及进行导航等。
PID算法常用于控制四旋翼飞行器的飞行姿态。
通过测量四旋翼飞行器的倾斜角度，
即俯仰、滚转和偏航角，可以使用PID算法来控制四个螺旋桨的旋转速度，从而控制四旋
翼飞行器的飞行姿态。
PID算法根据当前的姿态误差、误差的变化率以及误差的积分值来
计算出修正系数，通过调整四个螺旋桨的旋转速度来达到平稳和精确的姿态控制。
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。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计随着社会科学技术的不断发展，微控制器、传感器及电力驱动技术的成熟，四旋翼飞行器已经逐渐取代了传统的螺旋翼直升机飞行器，由于四旋翼飞行器有十字架构和四个螺旋翼，其属于一个强耦合、非线性及欠驱动的六自由度系统，本文分析基于模糊控制的PID控制算法，以求持续提高四旋翼飞行器的控制效果。
标签：四旋翼飞行器；动力学模型；模糊控制；PID控制四旋翼飞行器由于其独特的飞行方式使得其起飞和降落需要较少的空间，便于保持在较高的操纵性能飞行在障碍物密集的环境当中，同时四旋翼飞行器可以保持稳定的飞行姿态，因此在军事和民用领域都有较好的应用前景。
四旋翼飞行器具有简单的机械结构，其主要由十字状构架和四个旋翼组成，在对四旋翼飞行器数学建模时其属于强耦合、非线性及欠驱动六自由度系统，通过控制四个螺旋桨不同速度就可是实现不同的飞行姿态。
对于非线性强耦合的系统的控制较为困难，因此要实现四旋翼飞行器从初始位置运行到既定位置并能保持当前的运动状态，就可以将非线性的四旋翼飞行器模型进行近似线性化的处理。
在四旋翼飞行器控制过程中可以采用双闭环结构，将内环角度环输出作为外环速度环的控制输入，从而实现对四旋翼飞行器运行姿态的控制。
1 四旋翼飞行器的控制原理1.1 四旋翼飞行器的垂直飞行与俯仰飞行的控制原理四旋翼飞行器在控制过程中通过调整电机转动速度来改变合力实现飞行的多种姿态。
在四旋翼飞行器垂直飞行过程中，首先需要处理好电机转动过程中产生的反转矩作用，在1号与3号电机逆时针运行的同时2号与4号电机顺时针旋转，当两者产生的合力能保持大小一致时，就会使他们产生的反扭矩互相完全抵消。
當各电机均产生向上拉力且拉力大于飞行器重力时就会使四旋翼飞行器上升，同时电机转动速度增加会使拉力变大，当拉力大于飞行器重力时就可以实现悬停状态，为了保证四旋翼飞行器可以实现垂直飞行，就需要四个电机的转动速度相同。
当四旋翼飞行器需要产生俯仰飞行时，可令2号和4号电机朝同一个方向旋转并保持相同的旋转速度，1号电机运行速度增加，3号电机运行速度降低，则会使四旋翼飞行器向X轴方向产生俯仰并进入不平衡状态。
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第 3 章 基于 PID 算法的控制器设计 ............................................................. 21 3.1 PID 控制器设计 ................................................................................. 21 3.1.1 PID 控制理论基础 .................................................................. 21 3.1.2 小扰动线性化方程 ................................................................. 22 3.1.3 各控制通道的传递函数 ......................................................... 24 3.2 仿真实验与结果分析 ........................................................................ 25 3.2.1 仿真平台的搭建和控制器参数的整定 ................................. 25 3.2.2 各控制通道的阶跃响应曲线 ................................................. 26 3.2.3 抗扰性实验 ............................................................................. 29
பைடு நூலகம்摘要
四旋翼飞行器是一种具有四个输入和六个自由度可实现垂直起降的欠驱动强耦合 旋翼式飞行器。在实际飞行过程中，经常会受到外界气流扰动的影响，使得飞行器的 位姿偏离预期的状态。为了解决飞行器受扰动后飞行失稳的问题，根据牛顿–欧拉方程 建立了四旋翼飞行器的动力学模型，并基于小扰动方法将非线性动力学模型线性化。 根据传递函数与状态方程之间的关系得到各控制通道的传递函数，分别对各个通道设 计了 PID 控制器并通过 Matlab/Simulink 平台对所设计的 PID 控制器进行了仿真。仿真 结果显示：在所整定的控制器参数下，飞行器可以迅速准确飞抵目标位置并保持预期 姿态，且在飞行器受微扰动后，控制器具备控制四旋翼飞行器位姿的能力。本设计对 四旋翼飞行器受微扰动时的自稳定控制具有一定的参考价值和指导意义。 关键词：四旋翼飞行器 动力学模型 PID 控制器 微扰动 仿真
III
四旋翼飞行器 PID 控制器的设计
3.3 本章小结 ............................................................................................ 31 第 4 章 全文总结与展望… ………………………………………………… 32 致 谢 ................................................................................................................. 33 参考文献 ............................................................................................................. 34
I
四旋翼飞行器 PID 控制器的设计
Design of PID controller for a quadrotor
ABSTRACT
Quadrotor is a kind of underactuated and strong coupling rotary-wing aircraft with four drivers and six degrees of freedom,which can realize vertical take-off and landing. In the actual flying process, it will be influenced by external airflow usually,which result in aircraft’s posture deviate from expected state. In order to solve the flying instability problems when it is disturbed. According to Newton-Euler equation,we established it’s dynamic model. Based on the small disturbance hypothetical we get it’s linear model. According to the relationship between transfer function and state equation,we get transfer function of each control channel. Then PID controller for every control channel was designed. Simulation was done based o n Matlab/Simulink platform. The simulation result shows: with the set of control parameters,quadrotor can fly to expected position and keep attitude quickly. Meanwhile the controller proves the ability to control the posture in the presence of a small disturbance. This design is of some practical significance for quadrotor’s self stabilization control. Key words：Quadrotor Dynamic model PID controller Small disturbance Simulation
IV
四旋翼飞行器 PID 控制器的设计
第 1 章 绪论
1.1 论文研究的背景和意义 近年来，传感器、制动器、处理器和能量存储装置的技术进步使得四旋翼飞行器成 为航空领域的研究热点。和传统直升机相比，由于不需要尾翼，其结构更加紧凑、操 纵灵活，简单的机械结构使其便于生产，低廉的价格使其获得越来越多人的喜爱。在航 拍摄影、农业病虫害防治、地质地理测绘以及视频监控等领域有着十分广阔的应用前 景。 与固定翼飞行器需要滑跑或弹射起飞不同，四旋翼飞行器可垂直起降，因而对起 降场地要求低，具有很强的适应性。传统固定翼飞机升力与飞机速度的二次方成正 比，因而当飞机速度为零时，升力即为零，因此不能在空中悬停。而四旋翼飞行器是 依靠旋翼的旋转产生升力，当四个旋翼产生的升力之和与飞行器所受重力平衡时，便 实现空中悬停。与传统直升机需要靠尾桨来平衡主旋翼所产生的反作用力矩（见图 1-1） 不同，四旋翼飞行器依靠前后、左右两组旋翼的旋转方向正好相反实现反扭矩的相互 抵消。 然而，四旋翼飞行器具有六个自由度却只有四个输入量，因而是一种欠驱动系 统。所以本质上是不稳定的。因此，能够显著改善飞行器稳定性的控制算法的设计显 得尤为重要。四旋翼飞行器复杂，非线性，强耦合的动力学特性催生新的控制算法和 新技术不断诞生，新的控制算法和技术又反过来为工程中的实际控制问题服务。无论 是理论研究还是工程应用，四旋翼飞行器的研究都有着重要意义。