趙亮 王強 徐立攀 周晨

摘要：四旋翼飛行器通過調(diào)節(jié)四個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)俯仰、翻滾、偏航運動，飛行姿態(tài)控制是關(guān)鍵。本文通過一種串級PID控制算法，通過參數(shù)整定，有效實現(xiàn)了四旋翼飛行器的姿態(tài)控制。

關(guān)鍵詞：四旋翼；無人機；串級PID

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）08-0248-02

四旋翼飛行器是目前熱門熱點，其飛行姿態(tài)控制有著非線性、強耦合、欠驅(qū)動、干擾敏感等特點，因此其控制器的設(shè)計比較復雜。隨著越來越多先進的控制理論的提出和實踐，人們嘗試各種控制算法去改善其飛行性能。基于PID進行改造的控制方法應該是最基本也是最實用的方法，本文嘗試一種串級PID的控制方法對四旋翼飛行器進行控制。

1串級PID控制算法原理

根據(jù)四旋翼飛行器的動力學模型可知：三個姿態(tài)角即翻滾角（Roll）、俯仰角（Pitch）和偏航角（Yaw），簡化后三個方向都是一個二階系統(tǒng)，可對三個方向分別使用PID控制。

本文姿態(tài)控制采用基于文獻提出的串級PID控制方法來控制姿態(tài)，即內(nèi)回路為速度控制環(huán)，外回路為角度控制環(huán)。具體控制框圖如下圖1所示：

2 PID參數(shù)的整定

采用串級PID控制策略，內(nèi)環(huán)相對外環(huán)是獨立的，在內(nèi)環(huán)參數(shù)整定過程中，不用考慮外環(huán)系統(tǒng)模型參數(shù)，因此先調(diào)內(nèi)環(huán)，再調(diào)外環(huán)。

（1）內(nèi)環(huán)PID參數(shù)

a.內(nèi)環(huán)比例P

Roll內(nèi)環(huán)角速度PID調(diào)節(jié)，當P=0.1時，調(diào)整時間過長；當P=0.2時，調(diào)整時間縮短了一半。增大比例系數(shù)可以增加系統(tǒng)的回復力，從而減少調(diào)整時間，但是一味的增大比例系數(shù)會導致系統(tǒng)震蕩，觀察P=0.2恢復平衡后的PID輸出，可以發(fā)現(xiàn)雖然當前角度已經(jīng)處在平衡點，但是PID輸出經(jīng)過幾個波動后才漸趨平穩(wěn)，而對比P=0.1可以看到，在當前值處于平衡點時，PID的控制輸出時非常平穩(wěn)的。為了加快調(diào)整時間，同時減少系統(tǒng)的震蕩，最終取比例系數(shù)P為0.15。

b.內(nèi)環(huán)微分參數(shù)D

微分項具有增加系統(tǒng)阻尼的作用。觀察D=0.1和D=0.2輸出結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增大微分項，PID控制輸出角度平穩(wěn)后波動少，波動幅度小，控制非常平穩(wěn)，這樣系統(tǒng)的震蕩就大大降低了。考慮調(diào)整時間和系統(tǒng)阻尼，微分項系數(shù)D取0.1。

c.內(nèi)環(huán)積分項參數(shù)Ⅰ

給積分項Ⅰ初定為0.1，可以明顯看到輸出值跟目標值接近，也就是說系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差被消除了，但震蕩也非常明顯，如果繼續(xù)增大積分項Ⅰ，系統(tǒng)的控制輸出震蕩將加大，系統(tǒng)最終將失去穩(wěn)定。最終確定積分項系數(shù)0.07。

（2）外環(huán)PID參數(shù)

實驗發(fā)現(xiàn)，當內(nèi)環(huán)控制非常平穩(wěn)的時候，外環(huán)參數(shù)整定非常方便，參數(shù)可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整，而輸出仍然非常平穩(wěn)。發(fā)現(xiàn)純比例調(diào)節(jié)的時候，輸出已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)。微分項和積分項可以根據(jù)要求適量加入。最終取P=4.5，I=0，D=0。

3測試結(jié)果

單軸PID測試的結(jié)果曲線如下圖2所示：

圖2中有三種顏色的線，紅色的線是目標值，我們期望目標是處于0度，即處于平衡位置；綠色的線是當前值，是測得當前Roll的姿態(tài)；黃色的線代表經(jīng)過PID控制器輸出的量。圖中的縱坐標是角度，橫坐標為圖像的幀數(shù)，一幀圖像為100ms，即0.1s。觀察曲線我們可以看到，上電一瞬間，當前Roll經(jīng)過一個小波調(diào)整之后就恢復到平衡狀態(tài)，調(diào)整時間在50幀，即5s，超調(diào)量在10度。

單軸Roll的外力干擾實驗測試如下圖3：

從圖3曲線中我們可以看到，當?shù)谝淮蔚竭_穩(wěn)定狀態(tài)后，在Roll方向給個外力，四旋翼經(jīng)過一個波的調(diào)整馬上又恢復到了平衡狀態(tài)。外力干擾的實驗表明，四旋翼在室外飛行時，可有效抵抗風力的干擾。

4結(jié)論

用同樣的方式，在Pitch和Yaw方向進行了串級PID參數(shù)整定，最終所得四旋翼姿態(tài)平衡的PID參數(shù)如下表1所示。

經(jīng)過整機實驗調(diào)試，證明該組串級PID控制參數(shù)，對四旋翼飛行器控制效果良好。