四軸飛行器飛行原理與雙閉環(huán)PID控制
四軸飛行器是微型飛行器的其中一種,相對于固定翼飛行器,它的方向控制靈活、抗干擾能力強、飛行穩(wěn)定,能夠攜帶一定的負載和有懸停功能,因此能夠很好地進行空中拍攝、監(jiān)視、偵查等功能,在軍事和民用上具備廣泛的運用前景。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201610/309257.htm四軸飛行器關(guān)鍵技術(shù)在于控制策略。由于智能控制算法在運行復(fù)雜的浮點型運算以及矩陣運算時,微處理器計算能力受限,難以達到飛行控制實時性的要求;而PID控制簡單,易于實現(xiàn),且技術(shù)成熟,因此目前主流的控制策略主要是圍繞傳統(tǒng)的PID控制展開。
四軸飛行器結(jié)構(gòu)主要由主控板和呈十字交叉結(jié)構(gòu)的4個電子調(diào)速器、電機、旋漿組成,電機由電子調(diào)速器控制,主控板主要負責(zé)解算當前飛行姿態(tài)、控制電調(diào)等功能。
以十字飛行模式為例,l號旋翼為頭,1、3號旋翼逆時針旋轉(zhuǎn),2、4號旋翼順時針旋轉(zhuǎn),如圖1所示。
圖1 四軸飛行器結(jié)構(gòu)圖
參照飛行狀態(tài)表1變化電機轉(zhuǎn)速,由于四個電機轉(zhuǎn)速不同,使其與水平面傾斜一定角度,如圖l所示。四個電機產(chǎn)生的合力分解為向上的升力與前向分力。當重力與升力相等時,前向分力驅(qū)動四軸飛行器向傾斜角度的方向水平飛行??臻g三軸角度歐拉角分為仰俯角、橫滾角、航向角:傾斜角是仰俯角時,向前、向后飛行;傾斜角是橫滾角時,向左、向右飛行;而傾斜航向角時,向左、右旋轉(zhuǎn)運動,左(右)旋轉(zhuǎn)是由于順時針兩電機產(chǎn)生的反扭矩之和與逆時針兩電機產(chǎn)生的反扭矩之和不等,即不能相互抵消,機身便在反扭矩作用下繞z軸自旋轉(zhuǎn)。
2 姿態(tài)解算
四軸飛行器運用姿態(tài)解算計算出空間三軸歐拉角。結(jié)構(gòu)框架如圖2所示,陀螺儀采樣三軸角速度值,加速度傳感器采樣三軸加速度值,而磁力傳感器采樣得到三軸地磁場值,將陀螺儀、加速度傳感器、磁力傳感器采樣后的數(shù)據(jù)進行標定、濾波、校正后得到三軸歐拉角度,其中陀螺儀和加速度傳感器選用MPU6050芯片,磁力傳感器選用HMC5883L芯片,采用IIC總線與主控板通信。
圖2 姿態(tài)解算結(jié)構(gòu)圖
由于傳感器存在器件誤差,因此在使用前需要標定。陀螺儀在靜止時,角速度為0;但實際情況由于器件誤差并不為0,因此可在靜止時采樣500次數(shù)據(jù),再求平均,得出偏移量,標定陀螺儀數(shù)據(jù);加速度傳感器可依據(jù)在靜止時,三軸重力加速度平方和的開方為重力加速度的標定方程,利用最小二乘法求出標定偏移值和誤差值進行標定。而磁力傳感器校正,可將器件靜置于桌面旋轉(zhuǎn)一周找出最小值和最大值,通過電子羅盤校正計算公式計算出標定偏移值和誤差值。
由于陀螺儀長時間采集角速度會有飄移,因此需要使用加速度傳感器的值與磁力傳感器的值進行校正。將加速度的測量矢量和磁場的測量矢量與參考矢量做叉積后相加
式(1)中:ex、ey、ez為兩叉積之和,ax、ay、az為加速度的測量矢量,mx、my、mz為磁場的測量矢量,axref、ayref、azref為加速度的參考矢量,mxref、myref、mzref為磁場的參考矢量,參考矢量是通過實時四元數(shù)值與本次測量值計算出來。
再將叉積修正角速度漂移值:
式(2)中ωx(t)、ωy(t)、ωz(t)為角速度,kpex(t)為比例項修正,
為積分修正項。
將校正后的角速度通過二階畢卡算法轉(zhuǎn)化為四元數(shù),公式如式(3)。
3 高度計算
高度計算是通過氣壓傳感器采集的大氣壓值計算出來,將氣壓傳感器采集值進行校正后,在通過溫度二階補償,得到準確的大氣壓值,最后經(jīng)過氣壓轉(zhuǎn)換為高度公式
式(6)中Altitude為計算出來的實際高度,CurrentPressure為當前氣壓值,StartPressure為起飛之前氣壓值。氣壓傳感器選用MS5611芯片,其中集成了溫度傳感器和氣壓傳感器,采用IIC總線與主控板通信。
4 PID控制
4.1 雙閉環(huán)PID控制
當四軸飛行器正常飛行時,突遇外力(風(fēng)等)或磁場干擾,使加速度傳感器或磁力傳感器采集數(shù)據(jù)失真,造成姿態(tài)解算出來的歐拉角錯誤,只用角度單環(huán)情況下,使系統(tǒng)很難穩(wěn)定運行,因此可以加入角速度作為內(nèi)環(huán),角速度由陀螺儀采集數(shù)據(jù)輸出,采集值一般不存在受外界影響情況,抗干擾能力強,并且角速度變化靈敏,當受外界干擾時,回復(fù)迅速;同理,高度環(huán)中氣壓傳感器同樣也會受到外界干擾,引入z軸加速度環(huán)可有效避免外界干擾造成的影響,增強了系統(tǒng)的魯棒性。
四軸飛行器雙閉環(huán)PID控制,如圖3、圖4所示。角度作為外環(huán),角速度作為內(nèi)環(huán),進行姿態(tài)PID控制;當需要定高時,高度作為外環(huán),z軸加速度作為內(nèi)環(huán),進行高度PID控制。其中,PID輸出為油門值,油門給定電子調(diào)速器值,電子調(diào)速器控制電機使空間三軸歐拉角和高度變化。
圖3姿態(tài)PID控制總體流程圖
圖4高度PID控制總體流程圖
PID控制算法采用位置式數(shù)字PID控制:
式(7)中u(t)為PID輸出值,e(t)為期望值與實際值之差,
為積分量,
為微分量,kp,、ki、kd。為比例、積分、微分系數(shù)。
在將積分量,微分量離散化得到PID計算公式
式(8)中T為更新時間。
基于公式(8),姿態(tài)PID控制算法
式(9)為角度環(huán)PID計算公式,(10)為角速度環(huán)PID計算公式。AngelPIDOut(t)為角度環(huán)PID輸出,AngelRatePIDOut(t)為角速度環(huán)PID輸出,e(t)=期望角度一實際角度,e'(t)=AngelPIDOut(t) - 實際角速度。
同理高度PID控制算法:
式(11)為高度環(huán)PID計算公式,公式(12)為加速度環(huán)PID計算公式,AltitudePIDOut(t)為高度環(huán)PID輸出,AcceleratePIDOut(t)為加速度環(huán)PID輸出。e(t)=期望高度一實際高度,e'(t)=AltitudePIDOut(t) - (z軸加速度 - 重力加速度值)。
4.2 油門輸出計算
PID輸出值先經(jīng)過限幅處理,再輸出給油門,防止某些時刻輸出油門值過大,造成過沖,使系統(tǒng)難以穩(wěn)定,公式如下
AngelOut=AngelPIDOut(t)(限制范圍 - 100到100) (13)
AltitudeOut=AcceleratePIDOut(t)(限制范圍 - 10到10) (14)
式中AngelOut。為歐拉角輸出值,AltitudeOut為高度輸出值。
最后經(jīng)過十字飛行模式油門輸出公式,計算出4個電機輸出油門
式(15)中throttlelOut到throttle4Out為油門1到油門4輸出值,依據(jù)公式(13)輸出的AngelOut分為三軸角度:pitchOut為仰俯角輸出值,rollOut為橫滾角輸出值,yawOut為航向角輸出值。
4.3 油門補償
以十字飛行模式為例,PID控制條件為線性環(huán)境,而給出的油門值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為非線性,且兩對向電機再同一油門下轉(zhuǎn)速存在差異。運用光電傳感器測出不同油門量對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,通過matlab軟件繪制出該曲線,其中一對向電機油門與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖5所示,兩電機在相同油門下轉(zhuǎn)速存在差異且不平行,因此將油門曲線分段,并通過計算公式
補償油門值 =α(實際油門值 - β) (16)
進行油門補償,式(16)中α、β為補償偏移系數(shù),得出曲線如圖5(b)所示。
圖5 油門 - 轉(zhuǎn)速曲線圖
5 測試
本次測試姿態(tài)解算更新周期T ≈ 4 mS,PID控制更新周期T ≈ 10 ms,期望值為水平0度。將四軸飛行器控制仰俯角的一對電機固定住,另一對邊能自由旋轉(zhuǎn),即能改變橫滾角度,如圖6所示。將橫滾角傾斜到 - 70°,遙控器油門迅速推到1400,平衡后如圖6所示。
圖6 姿態(tài)PID控制測試
將四軸飛行器采集的歐拉角值通過無線模塊NRF24L01發(fā)送到PC機上,接收的數(shù)據(jù)顯示到上位機進行分析。上位機顯示橫滾角波形如圖7所示,波形圖橫坐標單位為10 ms,縱坐標單位為度。
圖 7雙閉環(huán)PID控制橫滾角波形圖
由圖7可知,橫滾角波形經(jīng)過一大波一小波震蕩后近似歸為期望值零點,且超調(diào)量較小,系統(tǒng)很快進入穩(wěn)定狀態(tài)。
其他歐拉角測試結(jié)果類似。
在加入雙閉環(huán)高度PID控制,四軸飛行器在室外飛行效果如圖8所示,可以看出飛行器飛行穩(wěn)定,達到設(shè)計要求。
圖8 室外飛行測試
6 結(jié)論
主要研究了基于四軸飛行器的雙閉環(huán)PID控制算法。在姿態(tài)PID控制和高度PID控制中分別增加了內(nèi)環(huán)角速度環(huán)和加速度環(huán),不僅抗干擾能力強,并且回復(fù)迅速,增強了系統(tǒng)的魯棒性。
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