浅谈PID控制算法对四轴飞行器的重要性

邹桐

摘要 ：四轴飞行器飞行原理上比较简单，但涉及的知识范围广，对控制器的要求高，该文通过讲解四轴飞行器的发展史及工作原理来简述PID控制算法对其的重要性。

关键词 ：PID控制算法；串级PID；四轴飞行器；多旋翼飞行器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）24-0177-02

四旋翼无人飞行器（Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle）它具备VTOL（Vertical Take-Off and Landing，垂直起降）飞行器的所有优点，拥有灵活、体积小、重量轻、稳定性好、可垂直起降和定点悬停、制造成本低、结构相对简单等特点。近些年来随着微机电系统MEMS（Micro-electromechanical Systems微电子机械系统）传感器研究的成熟、微型电机、单片机技术等的发展和普及，促使了四轴飞行器的快速发展，无论是在国家军事领域还是民用上都具有很好应用前景。

1 概述

一般常将飞行器分为三类：

①固定翼（fixed wing）。就是机翼形状固定的飞行器。其优点是续航时间长，载重能力大，缺点是起飞和降落需要助跑和滑行。固定翼是自稳定系统，对于飞行器姿态控制来说，固定翼是完整驱动系统。所以人控制固定翼飞行器的难度不高，固定翼飞行器升空达到稳定状态后基本无需人为怎么控制。

②直升机（helicopter）。一般是靠一个主旋翼提供升力，一个小的尾翼抵消主旋翼产生的自旋力。直升机为了实现各个方向上的飞行，主旋翼的机械结构非常的复杂。其优点是可以垂直起降，续航时间一般，载荷也一般，缺点就是维护的成本比较高。直升机是不稳定系统，但直升机也是完整驱动系统，人控制直升机的难度也相对不高。

③多旋翼（multi-rotor）。四个或者更多个旋翼的直升机，也能垂直起降。多旋翼机械结相对直升机构非常简单，动力系统就是电机连上桨。多旋翼的优点是机械结构简单，制作成本低、能垂直起降悬停等，缺点是续航时间最短，载荷也最有限。多旋翼是不稳定系统，不是完整驱动系统（或者叫欠驱动系统）。多旋翼让人来控制难度相对高，一般都有自动控制器来控制飞行器的姿态。这使得多旋翼飞行器的稳定基本都依赖于传感器及自动控制器。

对于自动控制器，直升机和多旋翼的自动控制器是比较难做。飞行器的自动控制器一般需要惯性导航系统实时获取自身的姿态，然后通过姿态解算与控制来实现。

2 四轴飞行器的发展历史及现状

旋翼式直升机早在20世纪之初就有相关的研究存在，不过当时是以实用的直升机作为目标进行研制的。基于当时动力系统等硬件的条件，块头也都很大。1907年，法国的Breguet兄弟自己制造了一架四旋翼式直升机Gyroplane1成功飞离地面，当时这架大块头飞行中没有用到任何的控制，更没有像如今的各种高端传感器，飞行稳的定性也就无从谈起。但四旋翼飞行器的概念就从此建立了。接下来几十年里多旋翼飞行器也在慢慢发展着，但由于MEMS传感器、自动控制等各大技术瓶颈的限制并没有取得突破性的成功。

四轴飞行器对传感器类实时精确度与控制理论算法上的要求非常高，所以一直到本世纪初期，MEMS传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得四轴飞行器的研究得到了突破。

现在小型或微型无人机随处可见，各种想法也随之飞起，今年2月内陆某著名摇滚歌手、音乐创作人就用我国自主研发品牌—大疆无人机空中派送钻戒表白，电商巨头亚马逊在美国用无人机空中送货等等，引起了一片热潮.

很多西方国家都有专业的四轴飞行器科研团队，国内在四轴飞行器研究领域比较有代表性的高校有哈尔滨工业大学等。还有深圳的大疆创新科技有限公司，民用主要是以遥控控制为主，常用于航拍等。

3 四轴飞行器的工作原理

3.1 四轴飞行器的机械结构

刚性十字型支架，支架各端固定一个电机，电机连接螺旋桨，共4个电机提供驱动力。其机械结构简单。四轴飞行器可分为十字模式和 X 模式， 如图1所示。两种方式差别不大，X 模式使用比较广泛。以X模式为例。

3.2四轴飞行器飞行动作原理

四轴飞行器正反桨间隔安装，正桨顺时针反桨逆时针旋转，即每个螺旋桨的转动方向都是与相邻的螺旋桨转动方向相反而提供动力方向又相同。正是因为这种巧妙的机械结构，与直升机相比，它的四个旋翼可以相互抵消彼此产生的反扭力矩。四轴飞行器的基本飞行姿态主要由八个动作组成：前后、左右、上下、 顺时针和逆时针旋转。电机编号如图 1（b） 所示，四轴飞行器产生基本动作的原理为：

说明：仰俯和翻滚控制实质是一样的，一组相邻电机转速同增/同减，另一组相邻电机转速同减/同增；以实现不同方向上的仰俯与翻滚

飞行控制对应基本动作原理：

升降控制-上下，俯仰控制-前后，翻滚控制-左右，偏航控制-顺时针和逆时针旋转。

3.3四轴飞行器飞行姿态的表示

姿态：就是表示机体坐标系与地理坐标系之间的相对角度位置关系。一般用三个姿态角表示：横滚角（roll）、俯仰角（pitch）、偏航角（yaw）。在四轴飞行器的运动分析中，需要分析运动姿态和运行轨迹。为了方便准确描述，这里涉及两个空间直角坐标系，机体坐标系：用来描述四轴飞行器的运动姿态信息；地理坐标系：用来描述四轴飞行器的运行位置信息。

3.4姿态解算

由于传感器的测量误差，导致测得的机体坐标系有误差，得到的姿态也就会不准确。为了得到四轴飞行器精确、稳定的姿态信息，就必须对各传感器测得的数据进行融合、滤波，从而进行姿态解算，姿态解算计算出空间三轴欧拉角，结构框架流程如图2所示：

3.5 姿态控制

3.5.1控制算法简介

飞行器的姿态控制是四轴飞行器核心技术所在。而姿态的控制在于控制算法的优良，目前有智能控制算法和PID控制算法，然而智能控制算法会受到微处理器计算能力限制而不能达到实时控制的良好效果，PID则不同，PID控制算法相对简单且技术成熟，是目前控制算法的首选。PID算法即是PID控制器的灵魂，其对多旋翼飞行器的重要性在此可见一斑。

PID控制即比例积分微分控制，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，用这个控制量对被控对象进行控制，这样的控制器就是 PID 控制器。最基本的 PID 控制算法流程如图3所示，其控制规律如下所示。

[u（t）=Kpe（t）+1TI0tdt+TDde（t）dt]

式中KP为比例增益，TI为积分时间，TD为微分时间，u（t）为控制量，e（t）为偏差。

3.5.2 经典 PID

从前面的介绍中，我们了解打到了四轴飞行器的基本工作原理，我们可以通过控制俯仰角、翻滚角以及偏航角来控制四轴飞行器的姿态，具体姿态控制系统示意图如图 4中所示。

3.5.3 串级 PID

四轴飞行器是一个非线性的系统， 而单级 PID 更适合线性系统。 四轴飞行器采用单级 PID 算法进行控制， 会使系统存在不同程度的超调和震荡。故本设计还可以在姿态控制中又加入角速度环，构成了串级 PID 控制器。

串级PID就是两个 PID 串在一起，分内环和外环。四轴飞行器采用串级 PID 控制器进行控制，可以达到更好的控制效果，即使外环数据剧烈变化，仍然可以有一个良好的控制效果。

4 结束语

我们了解到了四轴飞行器的基本构成及基本飞行原理，姿态控制是多旋翼飞行器的灵魂，而PID控制算法及以它为基础衍生出的串级PID等各种衍生版PID控制算法是姿态控制的关键，故PID控制算法对四轴飞行器的重要性在这里可想而知。

参考文献：

[1] 程学功. 四轴飞行器的设计与研究[D].杭州电子科技大学，2012.

[2] 凌金福. 四旋翼飞行器飞行控制算法的研究[D].南昌大学， 2013.

[3] 国倩倩. 微型四旋翼飞行器控制系统设计及控制方法研究[D].吉林大学，2013.