基于PID的四旋翼姿態控制系統設計

韓星 朱昊天 李夢泉 周杰鑫

摘 要：本文基于對四旋翼飛行器的了解，闡述了四旋翼飛行器模型構建，根據PID算法對四旋翼姿態控制方法進行分析，進一步對其控制系統的總體方案、硬件模塊和軟件模塊等設計內容進行深入研究，切實提高飛行器控制質量和水平，為現代化、智能化社會發展奠定良好基礎。

關鍵詞：PID算法;姿態控制系統;硬件模塊

引言：隨著科技的進步和社會的發展，無人機憑借其制造成本低、操作簡便靈活等特點，使用范圍已經逐步普及，但是其姿態控制是在模型控制的基礎上建立的，在使用過程中極易受到外界因素干擾而產生消極影響，因此需要對其控制系統進行優化創新，確保其具備較高的使用性能。

一、四旋翼飛行器模型構建條件

對于四旋翼飛行器來說，其在飛行過程中主要是依靠姿態控制進行實際運作的，能夠隨意的改變飛行器的位置和姿態變化。在進行四旋翼飛行器模型構建時，需要對其控制算法進行有效選擇。首先，需要將四旋翼飛行器看做為結構對稱、質量均勻的個體，在此基礎上不考慮外界因素對其產生的影響，比如變形、彈性振動等;其次，促使機體的幾何中心、機體坐標系和機體重心保持在統一位置，才能確保模型構建的真實性[1];再次，一般情況下四旋翼飛行器始終處于低空飛行狀態，且時間始終保持在固定范圍內，因此在模型構建過程中可以將空氣流速、地球自轉等外界因素忽略，在此基礎上，其重力加速度的變化范圍具有較強限制性，還可以假設重力加速度在飛行過程中始終處于不變狀態;最后，螺旋槳轉動產生的向上升力和轉速的平方始終呈正比狀態，相應的，其與產生的扭矩也成正比，以此為依據應用算法對四旋翼飛行器運動模型進行構建，才能確保其具有較強的真實性和可行性。

二、基于PID的四旋翼姿態控制方法分析

通常情況下，在工程實踐過程中PID控制算法的應用具有較強的普遍性和可操作性，其運作的基本原理主要是對系統原有設定的數值與輸出值之間進行做差處理，在此基礎上，將獲取到的誤差信號進行相應處理，通過對設定值的大小進行反饋、補償和修正，從而達到預期料想的輸出值。在實際四旋翼姿態控制系統中使用PID控制器，實質上就是對誤差信號進行積分、比例和微分處理，從中獲取處理過的控制信號，才能確保實際獲取數值具有較強的真實性。

一般情況下，對于比例項和積分項來說，分別是用于對現在和過去產生的誤差進行調節，而對于微分來說，其主要是對未來誤差的變化走向進行有效預測的項目內容，PID控制就是通過對這三項進行有效調節，從而達到對加權控制系統進行有效控制的目的。

三、基于PID的四旋翼姿態控制系統設計內容

（一）總體方案

首先，需要將四旋翼飛行器的姿態控制系統根據其工功能性、影響性等劃分為多個模塊，主要可分為：電源、主控、通信、載荷等。對于主控模塊來說，主要是采用型號適中的單片機作為核心控制芯片，由于四旋翼飛行器的姿態解算算法中內涵大量浮點運算，因此可采用相關處理器對系統中主控芯片進行浮點控制，能夠有效提升姿態運算的頻率和解算速度，從而提升整體系統的實時性;其次，需要緊跟時代發展步伐，采用傳感器雙冗余設計，能夠有效避免出現損壞或炸機現象，不僅能夠加快數據融合速度，還能進一步得到飛行姿態的相關準確數據;再次，通信模塊顧名思義就是在四旋翼飛行器飛行過程中，通過對姿態控制進行信息傳輸的模塊，其中包括數據傳輸和圖片傳輸兩種方式，主要是對四旋翼飛行器的運行狀況進行實時傳輸，加強其與控制器之間的信息聯系;最后，動力模塊。其主要是通過動力傳輸，促使四旋翼飛行器能夠平穩有效的在空中運行，主要包括電調和四個螺旋槳兩部分，利用電機轉動產生的升力和動力來促使四旋翼飛行器有效運行[2]。

（二）硬件模塊設計

對于四旋翼姿態控制系統來說，必須要做好硬件模塊設計工作，根據實際情況對硬件內容進行優化升級，才能盡可能的減少由于外力因素對控制性能和飛行質量產生影響。第一，主控模塊設計。主控模塊的關鍵就是微處理器，其也是整體控制系統的核心內容，在實際運作過程中，不僅能夠對各個傳感器之間的數據進行綜合性采集，同時還能進行相應的處理和傳輸工作，應用PID算法對模塊之間的關聯性進行有效處理和控制，除此之外，由于四旋翼飛行器的姿態解算算法中包含大量的浮點運算，為了提高其運行質量和效率，需要對控制硬件進行積極開發，通過構建仿真器進一步實現數據的高通信速率采集、傳輸和仿真;第二，電源管理模塊設計。需要根據實際飛行器的型號、供電電壓及電阻等內容，對電源管理模塊進行優化升級設計，切實提高了控制系統整體供電的穩定性和安全性;第三，姿態解算模塊設計。對于姿態解算來說，其可以分為基于四元數的姿態更新微分方程和基于四元數的擴展卡爾曼濾波算法兩種方式，在此基礎上，需要不斷優化相應的硬件設施才能達到系統控制預期標準，其中主要是對傳感器、磁力計、陀螺儀和氣壓計四種硬件設備優化，切實提高四旋翼姿態控制質量和效率，同時還能高質量實現對飛行器的信息收集;第四，通信模塊設計。對于通信模塊來說主要是完成對地理監控系統和信息傳輸的功能模塊，主要有遙控器通信和無線數據傳輸通信兩種方式，通過優化升級能夠將飛行器的狀態信息進行雙向傳輸，能夠實現將四旋翼飛行器的動態信息進行有效顯示。

（三）軟件模塊設計

對于姿態控制系統軟件模塊來說，可以將其分為單獨的層次，同時還能確保運行期間實現數據信息的傳輸，能夠在基于PID算法的基礎上，實現底層驅動的模塊化替換，促使整體控制系統具有較強的可移植性特點。其中主要是姿態解算軟件，在實際姿態解算過程中，首先需要以實際運行情況為依據，對傳感器內部的數據進行分類收集，通常情況下主要指的是陀螺儀、磁力計和加速度計三者內涵的數據信息，在此基礎上，為了防止出現數據消失、跳變等情況，需要在傳輸過程中同時進行低通濾波處理，才能切實保證數據的真實性，并促使其始終保持平滑狀態。以PID算法為基礎，采用四元數進行姿態表示，其各項數據進行方程式帶入，能夠進行姿態的實時解算。除此之外還要加大對姿態控制軟件設計的重視力度，在四旋翼飛行器中采用串級PID控制算法，將經由傳感器檢測系統中的姿態作為系統的反饋量，并與輸入設定的姿態值作差，從而得到PID控制所需的偏量差，將系統中不同的電機轉速數值進行記錄，能夠有效實現四旋翼飛行器姿態進行高質量、高效率的控制。

結論：綜上所述，在基于PID算法背景下，加大對四旋翼姿態控制系統設計的重視力度，是滿足現代化社會發展的必然趨勢，同時也是飛行器靈活、平穩運行的重要保證，因此需要對PID參數、程序等進行精準確定和優化，才能真正意義上確保飛行控制系統充分發揮出其實際應用價值。

參考文獻：

[1]趙國榮，何云風.基于塊對角理論的四旋翼姿態控制系統設計[J/OL].飛行力學：1-5[2020-10-26].

[2]朱超，張紅欣.基于ANFIS-PID的四旋翼姿態控制系統設計與仿真[J].機床與液壓，2019，47（11）：163-167.

（沈陽航空航天大學 ?遼寧 ?沈陽 ?110136）