智能飞行器的PID控制技术

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1、智能飞行器的研究一、序言(问题的提出、研究的动机)。二、理论依据。三、研究目标。四、研究方法(采用哪些教育科研方法)。五、研究的主要内容。loPID算法在四轴飞行器中的应用摘要：本文讨论了如何将PID算法应用到四轴飞行器上，使之保持机身平衡与稳定。关键词：PID算法、四轴飞行器(1)问题的提出：PID(比例、积分、微分)控制器作为最早实用化的控制器已有50多年的历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最广泛的控制器。如何将PID算法应用到

2、PID控制器中，使其在陀螺仪的配合下调整电机转速而达到飞行器的平稳飞行。(2)问题的分析：我们都知道PID算法可以表示为：u⑴=炉［幺(/)+亓Je(t)dt+77其中u(t)为输出，e(l)为输入，kp为比例系数，四轴的飞行模式有两种，一种是“+”模式，另一种是乂模式，我们打算用乂模式，它更加灵活。要将PID算法运用到四轴飞行器中，就要搞清楚四轴飞行器中的什么数据作为PID算法的输入，什么作为PID算法的输岀。因为我们是为了稳定飞行器，所以将角速度的数值作为输入是比较合适的，所以我们要装一个陀螺仪芯片，实

3、时监测角速度的变化。PID算法中有三个参数：kp,TI,TDo这三个参数应该根据飞行器具体情况来设定。得到输出U(t)后，怎样处理u(t)是关键。四轴有四个电机，对应4个转速，每一个转速棵对应1个PPM值。电机的转速直接影响陀螺仪的值。我们的目的就是耍通过PII)的反馈确定PPM的合适的增量让陀螺仪示数稳定到基准值。怎样处理u(t)呢？由于我们用的是乂模式，如下图6仓1和4是逆时针旋转，2和3是顺时针旋转。陀螺仪输出X、Y、Z、三轴的角速度Wl、W2、W3O当将W1输入到PID中，得到一个结果。如果它大于基

4、准值，我们应将2和4的转速调大，1和3的转速调小，使X轴方向的角速度趋近于基准值从而达到稳定。同样的，Y轴的结果如果大于基准值，我们应将1和2的速度调大，3和4的速度调小，使Y轴方向的角速度趋近于它的基准值。Z轴的结果如果大于基准值，就要将1和4的速度调大，2和3的速度调小，靠扭转力使它达到稳定状态。这就是我们设想的使飞行器达到稳定的原理，要具体实现它，我们要建立具体的模型。(1)模型假设及说明1.电调PWM分辨率是8位的。2.PPM信号从0-499o3.X轴正方向为飞行器前进方向，Z轴方向为飞行器垂直向上

5、的方向。4.轴的角速度的方向正负判定基于右手螺旋法则。说明：1•假设1是限定电机转速级数即256级，简化模型的建立。2•假设2是确定PPM脉宽的级数，简化模型的建立。(2)文中用到的符号及说明Xi(i)第i次釆集时X轴角速度对时间的积分Yi(1)第i次采集时Y轴角速度对时间的积分Zi(i)第i次采集时Z轴角速度对时间的积分Xd(i)第i次采集时X轴角速度对时间的导数Yd(i)第i次采集时Y轴角速度对时间的导数Zcl(i)第i次采集时Z轴角速度对时间的导数X(i)第i次采集后，通过PID算法得到的X轴上的PI

6、D增量Y(i)第i次采集后，通过PID算法得到的Y轴上的PID增量Z(i)第i次采集后，通过PID算法得到的Z轴上的PID增量P(x)关于X轴的比例参数I(x)关于X轴的积分参数D(x)关于X轴的微分参数P(y)关于Y轴的比例参数I(y)关于Y轴的积分参数D(y)关于Y轴的微分参数P(z)关于Z轴的比例参数I(z)关于Z轴的积分参数D(z)关于Z轴的微分参数T采集的时间间隔thr(i)第i次采集时的油门命令信号rol(i)第i次采集吋的滚转命令信号pit(i)第i次采集时的俯仰命令信号yaw(i)第i次采集

7、时的航向命令信号Xrol(i)第i次采集后的滚转输岀信号Ypit(i)第i次采集后的俯仰输出信号Zyaw(i)第i次采集后的航向输出信号(5)模型的建立及求解1)积分模型建立由于对陀螺仪的采样是离散的，所以角速度对吋间的积分不能用传统的方式求解，必须找到一种合适的近似算法。数值积分我们口J以用到“梯形法”:将［a,b］划分为若干小区间a=x()

8、)从而/=丈^^(心丿+心))i=iL将梯形法用于我们这个模型，则盹)訓-1)+側(1)+恥)规定Xp(O)=Xi(O)=O,Y轴、Z轴同X轴。2)微分模型建立我们用后向差分：Xk-兀一1将它用于我们的模型，则Xd⑴二Xp⑴—Xp(T。Y轴、z轴同x轴。根据X(i)二P(x)*Xp(i)+1(x)*Xi(i)+D(x)*Xd(i)可得到PID增量X(i)oY(i)、Z(i)由同样方法得出。3)PID增量转化为PP