一種多旋翼飛行器的系統設置

閆飛云 高瑋 程一鑫 山西省朔州市朔城區長寧街中北大學

關鍵字：PID 姿態運行

引言：該四旋翼飛行器的基本部分主要由主控芯片，飛控板，跟蹤模塊，超聲波模塊，電機ESC模塊組成。工作原理如下：由 PIX飛控板獲得當前的姿態數據（飛控內置的陀螺儀，加速度計自動進行校準），交由主控核心 TI TM4 C123進行處理并傳遞信號；隨后采用級聯PID控制算法對數據進行處理，經PID解決后輸出相應的電機PWM增減，為了驅動電機，改變其輸出以調整電機速度以調整飛行姿態；

在初期階段，整個系統的設計包括飛行控制部分和遙控部分。用于距離測量的超聲波傳感器和PID算法實現穩定和高飛行循跡模塊使用 OV7620攝像頭對黑線位置進行采樣，采樣后進行圖像處理功能，把經過處理后的數據傳輸給控制芯片，從而控制飛機保持直接飛行在目標黑線上方完成跟蹤任務；與每個模塊配合使用，四旋翼飛行器可執行各種任務，如懸停和跟蹤。

1 系統方案設計系統方案設計

1.1 飛控板的選擇

PIX飛行控制系統是國外的開源飛行控制系統。內部集成了飛行控制的各種傳感器模塊，可以支持固定翼，直升機，多軸飛機，并且提供開源代碼支持將個人的多軸飛行器與先進的自動飛行技術結合起來，飛行穩定且容易控制。屬于促進四旋翼穩定飛行的服務器。

1.2 電機的選擇

該無刷電機具有抗干擾能力強，噪音低，運行平穩，使用時間長等優點。而且無刷電機相對同類電機而言轉速快且平穩，這些優點對于多旋翼模型運行穩定是一個巨大的支持。與有刷電機相比，雖然具有啟動快，制動快，調速范圍寬，控制電路比較簡單等特點，但其缺點也很明顯：摩擦大，損耗大，發熱量大，壽命短，效率低，輸出功率低。它不適用于使用多旋翼飛機。

1.3 循跡模塊

采用圖像處理法，紅外線探測易收到周圍環境的影響，數據處理很不準確。OV7620攝像頭采集到的圖像更加準確直觀。通過算法確定黑線中心位置并調節飛行器使其飛在黑線正上方。另外，OV7620也可以通過IIC總線進行設置，并具有圖像窗口輸出功能。只保留用戶所需的圖像部分，這大大減少了控制芯片所需的工作量并減少了占用的存儲空間。提高了系統的效率。

1.4 飛行器系統框架如圖

1.5 PID算法

PID調試就是合理的運用 PID的三個參數，從系統的穩定性，影響速度，在所有方面考慮響應速度，數據處理量和穩定性準確度，以使系統達到最佳狀態。

在控制過程中，P字符串ID控制器是一個自動控制器，用于控制偏差（P），積分（I）和導數（D）的比率。原理簡單易懂，適用范圍廣泛，控制參數獨立，參數類型少，功能強大。PID過程通過誤差信號控制受控變量，控制器本身是比例，積分和微分三部分的總和。

PID的控制規律為如下算法 ：

2 方案優劣

能夠實時的采集飛行器當前的姿態信息并融合解算出當前的歐拉角。采用先進的串級PID控制方法同時結合超聲波以及攝像頭模塊反饋回來的信息對當前姿態角進行控制，從而完成俯仰，橫滾、偏航等各種動作。系統整體結構簡單，飛行相對穩定，可擴展能力強。

但不足之處在于續航時間較短，對電量的依賴性較大，同時循跡算法還有待于進一步優化，在受到外界較大的干擾時，不好保證飛行的穩定。