APP下载

基于超声波技术的四旋翼无人机定高控制系统的研究

2017-03-06沈阳阳

电子技术与软件工程 2017年1期
关键词:性能指标控制系统超声波

沈阳阳

本文主要研究基于超声波技术的四旋翼无人机定高控制系统,本文首先对四旋翼无人机的控制系统进行建模,得到控制系统的原理框图,需要对控制系统的俯仰通道,滚转通道,以及高度通道进行参数调节,本文主要针对高度控制系统进行研究,通过MATLAB仿真实验,调节控制器的PID参数,通过迭代的试凑法,分析系统的得到的响应时间、超调量、上升时间等性能指标,得到最优控制系统的参数,最终得到期望的高度PID控制器。

【关键词】超声波 PID 控制系统 性能指标

1 PID控制器简介

近些年来,无人机在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。无人机要实现自动控制、自主飞行任务的关键在于无人机飞行控制系统,其不仅包括传感器控制器等的硬件平台,而且还包括内部所采用的控制算法,其中控制算法是整个无人机控制的核心,在飞行控制系统中占据主导地位。

四旋翼飞行器是一个欠驱动系统,可以通过四个电机的转速来实现对四旋翼飞行姿态的控制。欠驱动系统为一类很复杂的非线性系统,对于这种系统的控制有一定难度。对于欠驱动、非线性的系统的研究方法有很多,这些控制方法分为PID控制、反步控制、滑模控制以及一些智能控制方法。本文对四旋翼飞行器采用的控制方法是双环PID控制,这种控制既具备经典PID控制结构简单,又考虑了系统遇到外部干扰时候的情况。

PID控制器的原理很简单,就是将系统的实际输出量与目标输入量做差得到误差,之后系统对误差信号做比例,积分和微分运算并对这三部分的信号量求和作为系统的控制信号。常规的PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)、微分单元(D)构成。

2 超声波传感器在无人机中的应用

超声波测距是最简单的感知系统,例如生活中常见的汽车倒车雷达,在Parrot等无人机上被人熟知。其基本原理是测量超声波的飞行时间,通过公式d=vt/2测量相关距离。具体是通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包,系统检测高于某阈值的反向声波,检测到后使用测量到的飞行时间计算出距离。由于超声传感器的成本低、实现方法简单、精度高、技术成熟,在无人机定高控制系统中有很好的应用。

3 高度控制器模型建立

在四旋翼飞行器闭环控制系统中,创建串联的速度/位置反馈控制系统,在这个模型中,会考虑俯仰通道,滚转通道,以及高度控制。为了做控制器的设计,我们还需要使用估计出来的线性模型模型调节PID。在这里,我们只考虑四旋翼飞行器的高度控制。四旋翼飞行器的高度控制我们采用PI控制器,四旋翼飞行器物理模型建好后,通过Matlab软件中的SimMechanics仿真部分对四旋翼飞行器控制系统的高度控制进行仿真。

利用MATLAB软件对系统进行仿真建模如图1。

首先设定kp=ki=1,采样时间sample time 0.01s,给一个阶跃信號做系统辨识,在t=6s的时候,输入一个阶跃信号,这个阶跃信号的偏移量为1,6s时阶跃信号的高度A为0.5,从辨识对象的输出与我们对被控对象的了解,可以看出被控对象为一个二阶系统,且带一个零点。

可以得到被控对象的辨识,被控对象的输入信号,需要不断的迭代试凑法,对系统进行优化后得到系统最优参数为K=8.533,tw=3.36,tz=0.9613,§=0.9。得到Simulation dada inspector曲线如图2。

绿色曲线是我们期望的信号,结合仿真曲线图各个曲线的性能指标,我们可以看出浅绿色线的响应时间与上升时间最短,但是它有很大的震荡性,超调与鲁棒性都最差,而黄色曲线虽然响应时间和上升时间比较慢,但是超调量与鲁棒性最好,因此,我们选用黄色曲线为我们的最优参数曲线,即选取kp=3.137,ki=2.331。

4 结论

本文介绍了用超声波模块帮助四旋翼飞行器实现定高的功能,首先对系统的结构进行分析,对定高控制器进行建模,之后用MATLAB中的simulink进行仿真,对PID进行参数调节,通过大量的仿真实验以及得到的波形曲线,分析其性能指标,得到我们最满意的一组,即符合我们要求的响应曲线。

作者单位

长春理工大学 吉林省长春市 130022

猜你喜欢

性能指标控制系统超声波
沥青胶结料基本高温性能指标相关性研究
基于Niosll高精度超声波流量计的研究
蝙蝠的超声波
储热水箱分层性能指标的研究进展
超声波流量计的研究
超声波流量计在兰干渠上的应用
WebGIS关键性能指标测试技术研究
磁共振成像仪主磁场计量性能指标的选择