四旋翼无人机串级PID控制系统研究

四旋翼无人机串级PID控制系统研究

夏慧

江苏海事职业技术学院，江苏省南京市，210000

摘要

四旋翼无人直升机结构简单、模型复杂，适合作为教学及研究平台使用，能够应用于大学生课程学习、创新研究和教师科研中。本文设计的四旋翼无人机，采用模块化方法搭建硬件平台，应用开放式软件平台实现了控制器程序的编写，并设计了串级PID控制器用于直升机的自动控制。通过飞行实验，验证了本文控制系统设计能够实现四旋翼无人机的自动悬停，适合应用与教学及研究。

关键词：四旋翼；无人机；自动悬停；

基金资助：2019年院级课题“四旋翼无人直升机建模与控制的若干问题研究”（项目编号:KJYB201905）；

0  绪论

近年来，由于具有较强的机动性与较好的控制性，四旋翼无人机受到了商家以及学者们的关注。目前，市面上已经具备了很多成熟的四旋翼无人直升机品牌，如大疆、亿航、极飞等，已经能够成功将无人机应用到航拍、表演、测绘、运输等具体应用场景中。可以说，无人机行业已经日趋成熟，并将继续深入到各行各业中。四旋翼无人直升机具有滚转、俯仰、偏航、高度四个运动通道，其动力学模型为欠激励模型，具有较强的动不稳定性[1][2]。因此，目前较多的学者针对其姿态与位置控制问题，提出了多种解决方案，旨在增强无人机的位置控制及姿态控制精度。[3-5]

为了保证所售直升机的控制稳定性，商用的无人机往往具有较好的封装性，无法为直升机研究提供飞行中的各种控制及运动参数。因此，各大高校及研究机构在进行研究时，为了完整掌握无人直升机的各项数值，往往选择自行组装、搭建直升机平台[4]。而四旋翼直升机集机械、电子、控制、编程等多项技术为一体，对于学生而言具有一定的搭建难度。因此，在教学和研究中，研究者们一般采用购买商用开源飞控板作为核心控制器，以便于学生能够快速搭建模型，并能够对方便日后对飞行控制进行二次开发。

本设计采用PixHawk飞行控制般作为核心控制单元，采用模块式方法，搭建了一种四旋翼无人机教学研究一体平台设计，设计了串级PID控制系统用于无人机的自动控制。

1 飞控系统设计

为了实现四旋翼飞机的基本飞行及控制功能，首先需要搭建系统硬件平台。本设计选用的PixHawk是一款基于ARM芯片的32位开源飞控，选用的飞控板本为2.4.8，它内置了陀螺仪、加速度计和气压计，同时具有丰富的接口，可方便扩展多种传感器。根据飞控板本身的功能，结合四旋翼飞行器的基本控制需求，将整个飞控系统硬件设计分成了主控模块、遥控模块、传感器模块、数据传输及调试模块以及动力系统模块共五大模块，如图1所示。

图1 飞控系统硬件模块设计

搭建完成的直升机硬件平台如图2所示。

图2 直升机硬件平台

在硬件平台的基础上，还需要对软件程序进行编写，才能够完成基本的控制功能。由于APM固件具有成熟度更高、开源更彻底的优点，尽管本文采用的控制器为PixHawk，还是采用APM作为固件程序，并在该固件基础上上对控制器进行了设计。

2 串级PID控制系统设计

四旋翼无人机一般可分为四个控制通道，包括高度控制、俯仰控制、滚转控制和偏航控制通道。[5]本设计采用的无人机为X形控制模式。

图3 四旋翼无人机控制模式

当四个电机转速一致时，其转动惯量互相抵消，飞行器保持水平飞行。同时改变四个电机的转速，即能改变飞行器的飞行高度；当希望飞行器前飞时，增大3、4号电机的转速，减小1、2号电机的转速，即能改变飞行器的俯仰角，从而达到前飞的目的；当希望飞行器右飞时，增大1、3号电机的转速，减小2、4号电机的转速，即能改变飞行器的滚转角，从而实现横向飞行；当希望飞行器顺时针旋转运动时，减小2、3号电机的转速，增加1、4号电机的转速，既能改变飞行器的偏航角，从而实现偏航运动。

四旋翼在控制时，通过遥控器手柄输入控制要求，通过控制器解析，相四个电机分别输送控制信号，最终达到理想的操作性能。

高度通道采用了基于PID控制器的串级控制，通过对对飞行器高度、高度速度换的控制，实现飞行器的高度跟踪控制。其控制器设计如图4所示。

图4 高度跟踪控制

飞行器的偏航、滚转、俯仰通道的控制，可以看成是对偏航、滚转、俯仰角的控制，本文采用了串级PID控制器，使操作人员获得较好的操作体验。角度控制器设计如下图所示。

图5 偏航、滚转、俯仰角通道控制

3 飞行验证

为验证本文设计的有效性，将本文控制器设计应用到了飞行平台，并进行了自动悬停实验。在自动悬停实验操作时，设定好悬停高度，启动飞行器，四旋翼直升机就能够按照控制策略自动实现定高悬停。悬停实验结束后，切换至手动模式，遥控直升机降落。

本实验中设定飞行器飞行高度为33米，理想偏航角、俯仰角、滚转角都为0度。获得的飞行结果如图6-9所示。

图6 高度飞行数据                         图7 滚转角飞行数据

图8 俯仰角飞行数据图                 9 偏航角飞行数据

通过实验结果可知，飞行器能够稳定地悬停在33米的高度，且此时其偏航角、俯仰角、滚转角都接近零度。

4 结论

本文设计了一种基于PixHawk飞控控制板的控制系统，在高度、滚转、偏航、俯仰通道都采用了串级PID控制器设计，具有结构简单、易于实现的优点，适用于各种无人机平台。本文控制系统一方面能够让操纵者在操纵直升机时获得良好的控制体验，另一方面能够让无人机按照设定好的模式进行自动飞行。通过实验表明，本文设计的控制系统能够较好地实现自动悬停功能，但是在在悬停过程中，飞行器高度通道超调量大约为10%，若想获得较小的超调，需要进一步对控制器参数进行调整。

参考文献

[1]周由. 四旋翼无人机飞行控制系统的研究[D].华中科技大学,2017.

[2]汪亚真. 可变结构小型多旋翼无人飞行器设计与控制研究[D].安徽理工大学,2016.

[3]孙谷昊,曾庆双,蔡中泽.四旋翼无人机安全轨迹跟踪控制[J/OL].控制理论与应用:1-9[2022-11-14].http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1240.TP.20220920.1746.050.html

[4]游安华,沈佳适,张雄,邢安麒,李继坤.3D打印迷你四旋翼飞行器教学平台设计[J].实验科学与技术,2022,20(05):12-16.

[5]林宗炮.四旋翼无人飞行器串级PD控制器的研究[J].福建电脑,2022,38(11):35-38.DOI:10.16707/j.cnki.fjpc.2022.11.007.