基于超聲波技術的四旋翼無人機定高控制系統的研究

沈陽陽

本文主要研究基于超聲波技術的四旋翼無人機定高控制系統，本文首先對四旋翼無人機的控制系統進行建模，得到控制系統的原理框圖，需要對控制系統的俯仰通道，滾轉通道，以及高度通道進行參數調節，本文主要針對高度控制系統進行研究，通過MATLAB仿真實驗，調節控制器的PID參數，通過迭代的試湊法，分析系統的得到的響應時間、超調量、上升時間等性能指標，得到最優控制系統的參數，最終得到期望的高度PID控制器。

【關鍵詞】超聲波 PID 控制系統 性能指標

1 PID控制器簡介

近些年來，無人機在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。無人機要實現自動控制、自主飛行任務的關鍵在于無人機飛行控制系統，其不僅包括傳感器控制器等的硬件平臺，而且還包括內部所采用的控制算法，其中控制算法是整個無人機控制的核心，在飛行控制系統中占據主導地位。

四旋翼飛行器是一個欠驅動系統，可以通過四個電機的轉速來實現對四旋翼飛行姿態的控制。欠驅動系統為一類很復雜的非線性系統，對于這種系統的控制有一定難度。對于欠驅動、非線性的系統的研究方法有很多，這些控制方法分為PID控制、反步控制、滑模控制以及一些智能控制方法。本文對四旋翼飛行器采用的控制方法是雙環PID控制，這種控制既具備經典PID控制結構簡單，又考慮了系統遇到外部干擾時候的情況。

PID控制器的原理很簡單，就是將系統的實際輸出量與目標輸入量做差得到誤差，之后系統對誤差信號做比例，積分和微分運算并對這三部分的信號量求和作為系統的控制信號。常規的PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）構成。

2 超聲波傳感器在無人機中的應用

超聲波測距是最簡單的感知系統，例如生活中常見的汽車倒車雷達，在Parrot等無人機上被人熟知。其基本原理是測量超聲波的飛行時間，通過公式d=vt/2測量相關距離。具體是通過壓電或靜電變送器產生一個頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包，系統檢測高于某閾值的反向聲波，檢測到后使用測量到的飛行時間計算出距離。由于超聲傳感器的成本低、實現方法簡單、精度高、技術成熟，在無人機定高控制系統中有很好的應用。

3 高度控制器模型建立

在四旋翼飛行器閉環控制系統中，創建串聯的速度/位置反饋控制系統，在這個模型中，會考慮俯仰通道，滾轉通道，以及高度控制。為了做控制器的設計，我們還需要使用估計出來的線性模型模型調節PID。在這里，我們只考慮四旋翼飛行器的高度控制。四旋翼飛行器的高度控制我們采用PI控制器，四旋翼飛行器物理模型建好后，通過Matlab軟件中的SimMechanics仿真部分對四旋翼飛行器控制系統的高度控制進行仿真。

利用MATLAB軟件對系統進行仿真建模如圖1。

首先設定kp=ki=1，采樣時間sample time 0.01s，給一個階躍信號做系統辨識，在t=6s的時候，輸入一個階躍信號，這個階躍信號的偏移量為1，6s時階躍信號的高度A為0.5，從辨識對象的輸出與我們對被控對象的了解，可以看出被控對象為一個二階系統，且帶一個零點。

可以得到被控對象的辨識，被控對象的輸入信號，需要不斷的迭代試湊法，對系統進行優化后得到系統最優參數為K=8.533，tw=3.36，tz=0.9613，§=0.9。得到Simulation dada inspector曲線如圖2。

綠色曲線是我們期望的信號，結合仿真曲線圖各個曲線的性能指標，我們可以看出淺綠色線的響應時間與上升時間最短，但是它有很大的震蕩性，超調與魯棒性都最差，而黃色曲線雖然響應時間和上升時間比較慢，但是超調量與魯棒性最好，因此，我們選用黃色曲線為我們的最優參數曲線，即選取kp=3.137，ki=2.331。

4 結論

本文介紹了用超聲波模塊幫助四旋翼飛行器實現定高的功能，首先對系統的結構進行分析，對定高控制器進行建模，之后用MATLAB中的simulink進行仿真，對PID進行參數調節，通過大量的仿真實驗以及得到的波形曲線，分析其性能指標，得到我們最滿意的一組，即符合我們要求的響應曲線。

作者單位

長春理工大學 吉林省長春市 130022