關于多旋翼式飛行器系統的研究

周小瑩　劉向東　周湘淇

【摘 要】本文設計的多旋翼式飛行器是基于單片機控制下，具有一定功能的自主飛行器。重點討論多旋翼飛行器的定高實現過程。通過的對機身高度的數據采集處理分析，及多旋翼式飛行器的定高算法的設計，結合實際，進行研究。

【關鍵詞】定高；PID控制；數據處理；多旋翼飛行器

0 引言

多旋翼飛行器是一種有多個螺旋槳的飛行器。四旋翼飛行器是其中最常見的一種。主要用于航拍、橋梁和電力線路檢測、定點巡航、娛樂等。在大學生電子設計競賽中出現了三次關于自主飛行器的命題，本文就簡要圍繞自主飛行中的定高飛行展開研究。

由于前人[1]的研究我們也將飛行器分析為一個非線性高耦合欠控制的系統，在建模時常常忽略外界不穩定因素。飛行器的多個直流無刷電機提供機身的整體升力，由于忽略了多個旋翼之間的耦合，認為整體的升力可以表示為每個旋翼提供升力之和。并提出了下列模型（圖1）：

1 濾波算法

在研究定高技術時，對高度的采集尤為重要。理論上講單片機從A/D芯片上采集的信號就是需要的量化信號，但是由于存在電路的干擾、電源噪聲干擾和電磁干擾，在A/D芯片的模擬輸入信號上會疊加干擾信號，為了避免干擾，我們采用軟件濾波的方法，對超聲波采集的數據進行處理。

每50毫秒超聲波模塊采集到的數據為inputHig，設定一個長度為10的數組highall。把每次測得的數據存入數組，最后輸出的數值是前十次的測量值的平均值。主要的濾波算法簡單易懂，且實用，滿足我們控制需求。

ms = millis（）；

if （ms > t1） {

t1 = ms + 50； //service period 50ms

if （pt.cnt[HIGH]） {

inputHigh = pt.dt_us[HIGH] * 17e-3；

hsum=0；

for（i=0；i<9；i++）

{ hsum+=highall[i+1]；

highall[i]=highall[i+1]；

}

highall[9]= inputHigh；

hsum+=inputHigh；

inputHigh=hsum/10；

}

}

2 定高PI算法

采用增量式pid算法，具有①算式中不需要累加。控制增量Δu（k）的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；②計算機每次只輸出控制增量，即對應執行機構位置的變化量，故機器發生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程的優點。p項是的公式是前一次的誤差減去這一次的誤差，由于測量高度是具有相同的時間間隔，根據速度公式v=s/t，可以得出機體在豎直位置的移動速度，我們I項是誤差項，重點矯正機體豎直位置。建立的這樣的數學模型，有較好的控制性能。

herror =SetHigh - inputHigh；

hvelocity = herror - last1herror；

last1herror = herror；

hpidoutput += hp * hvelocity + hi * herror；

3 定高PID算法

該算法與上述算法相似，對微分環節做了極大的改進，具有很強的穩定性。算法中BaroAlt是測得實際的高度，建立一個長度為40的數組，對比計算前20組的高度和后20組的高度的差，反應了系統的變化率，能預見偏差的變化趨勢，因此能超前控制在偏差未形成前進行消除。而且算法中設定了死區，使機體更趨于平穩。

#define UPDATE_INTERVAL 25000 // 40hz update rate （20hz LPF on acc）

#define INIT_DELAY 4000000 // 4 sec initialization delay

#define BARO_TAB_SIZE 40

if （currentTime < deadLine） return；

deadLine = currentTime + UPDATE_INTERVAL；

last = BaroHistTab[BaroHistIdx]；

BaroHistTab[BaroHistIdx] = BaroAlt/10；

BaroHigh += BaroHistTab[BaroHistIdx]；

index=（BaroHistIdx + （BARO_TAB_SIZE/2））%BARO_TAB_SIZE；

BaroHigh -= BaroHistTab[index]；

BaroLow += BaroHistTab[index]；

BaroLow -= last；

BaroHistIdx++；

if （BaroHistIdx == BARO_TAB_SIZE） BaroHistIdx = 0；

BaroPID = 0；

//D

temp32 = hd*（BaroHigh - BaroLow） / 40；

BaroPID-=temp32；

EstAlt = BaroHigh*10/（BARO_TAB_SIZE/2）；

temp32 = AltHold - EstAlt；

if （abs（temp32） < 10 && abs（BaroPID） < 10） BaroPID = 0；

//P

BaroPID += hp*constrain（temp32，（-2）*hp，2*hp）/100；

BaroPID = constrain（BaroPID，-150，+150）； //sum of P and D should be in range 150

//I

errorAltitudeI += temp32*hi/50；

errorAltitudeI = constrain（errorAltitudeI，-30000，30000）；

temp32 = errorAltitudeI / 500； //I in range +/-60

BaroPID+=temp32；

4 總結

本文主要研究了多旋翼飛行器的定高控制的方法，建立模型，設計算法，結合前人經驗，對其方法進行改進，完善了多旋翼飛行器的設計，實現了定高飛行。

【參考文獻】

[1]周湘淇，劉向東.四旋翼飛行器懸停控制的研究[J].科技視界，2015-6-15.

[2]李飛.四旋翼飛行器姿態自平衡控制系統的研究[J].2013.

[3]劉麗麗.四旋翼飛行仿真器的建模及控制方法的研究[D].長沙：中南大學，2009.

[4]吳中杰.四旋翼飛行器設計及其姿態控制[J].2012.

[責任編輯：楊玉潔]