基于PID的四旋翼姿态控制系统设计

韩星 朱昊天 李梦泉 周杰鑫

摘 要：本文基于对四旋翼飞行器的了解，阐述了四旋翼飞行器模型构建，根据PID算法对四旋翼姿态控制方法进行分析，进一步对其控制系统的总体方案、硬件模块和软件模块等设计内容进行深入研究，切实提高飞行器控制质量和水平，为现代化、智能化社会发展奠定良好基础。

关键词：PID算法;姿态控制系统;硬件模块

引言：随着科技的进步和社会的发展，无人机凭借其制造成本低、操作简便灵活等特点，使用范围已经逐步普及，但是其姿态控制是在模型控制的基础上建立的，在使用过程中极易受到外界因素干扰而产生消极影响，因此需要对其控制系统进行优化创新，确保其具备较高的使用性能。

一、四旋翼飞行器模型构建条件

对于四旋翼飞行器来说，其在飞行过程中主要是依靠姿态控制进行实际运作的，能够随意的改变飞行器的位置和姿态变化。在进行四旋翼飞行器模型构建时，需要对其控制算法进行有效选择。首先，需要将四旋翼飞行器看做为结构对称、质量均匀的个体，在此基础上不考虑外界因素对其产生的影响，比如变形、弹性振动等;其次，促使机体的几何中心、机体坐标系和机体重心保持在统一位置，才能确保模型构建的真实性[1];再次，一般情况下四旋翼飞行器始终处于低空飞行状态，且时间始终保持在固定范围内，因此在模型构建过程中可以将空气流速、地球自转等外界因素忽略，在此基础上，其重力加速度的变化范围具有较强限制性，还可以假设重力加速度在飞行过程中始终处于不变状态;最后，螺旋桨转动产生的向上升力和转速的平方始终呈正比状态，相应的，其与产生的扭矩也成正比，以此为依据应用算法对四旋翼飞行器运动模型进行构建，才能确保其具有较强的真实性和可行性。

二、基于PID的四旋翼姿态控制方法分析

通常情况下，在工程实践过程中PID控制算法的应用具有较强的普遍性和可操作性，其运作的基本原理主要是对系统原有设定的数值与输出值之间进行做差处理，在此基础上，将获取到的误差信号进行相应处理，通过对设定值的大小进行反馈、补偿和修正，从而达到预期料想的输出值。在实际四旋翼姿态控制系统中使用PID控制器，实质上就是对误差信号进行积分、比例和微分处理，从中获取处理过的控制信号，才能确保实际获取数值具有较强的真实性。

一般情况下，对于比例项和积分项来说，分别是用于对现在和过去产生的误差进行调节，而对于微分来说，其主要是对未来误差的变化走向进行有效预测的项目内容，PID控制就是通过对这三项进行有效调节，从而达到对加权控制系统进行有效控制的目的。

三、基于PID的四旋翼姿态控制系统设计内容

（一）总体方案

首先，需要将四旋翼飞行器的姿态控制系统根据其工功能性、影响性等划分为多个模块，主要可分为：电源、主控、通信、载荷等。对于主控模块来说，主要是采用型号适中的单片机作为核心控制芯片，由于四旋翼飞行器的姿态解算算法中内涵大量浮点运算，因此可采用相关处理器对系统中主控芯片进行浮点控制，能够有效提升姿态运算的频率和解算速度，从而提升整体系统的实时性;其次，需要紧跟时代发展步伐，采用传感器双冗余设计，能够有效避免出现损坏或炸机现象，不仅能够加快数据融合速度，还能进一步得到飞行姿态的相关准确数据;再次，通信模块顾名思义就是在四旋翼飞行器飞行过程中，通过对姿态控制进行信息传输的模块，其中包括数據传输和图片传输两种方式，主要是对四旋翼飞行器的运行状况进行实时传输，加强其与控制器之间的信息联系;最后，动力模块。其主要是通过动力传输，促使四旋翼飞行器能够平稳有效的在空中运行，主要包括电调和四个螺旋桨两部分，利用电机转动产生的升力和动力来促使四旋翼飞行器有效运行[2]。

（二）硬件模块设计

对于四旋翼姿态控制系统来说，必须要做好硬件模块设计工作，根据实际情况对硬件内容进行优化升级，才能尽可能的减少由于外力因素对控制性能和飞行质量产生影响。第一，主控模块设计。主控模块的关键就是微处理器，其也是整体控制系统的核心内容，在实际运作过程中，不仅能够对各个传感器之间的数据进行综合性采集，同时还能进行相应的处理和传输工作，应用PID算法对模块之间的关联性进行有效处理和控制，除此之外，由于四旋翼飞行器的姿态解算算法中包含大量的浮点运算，为了提高其运行质量和效率，需要对控制硬件进行积极开发，通过构建仿真器进一步实现数据的高通信速率采集、传输和仿真;第二，电源管理模块设计。需要根据实际飞行器的型号、供电电压及电阻等内容，对电源管理模块进行优化升级设计，切实提高了控制系统整体供电的稳定性和安全性;第三，姿态解算模块设计。对于姿态解算来说，其可以分为基于四元数的姿态更新微分方程和基于四元数的扩展卡尔曼滤波算法两种方式，在此基础上，需要不断优化相应的硬件设施才能达到系统控制预期标准，其中主要是对传感器、磁力计、陀螺仪和气压计四种硬件设备优化，切实提高四旋翼姿态控制质量和效率，同时还能高质量实现对飞行器的信息收集;第四，通信模块设计。对于通信模块来说主要是完成对地理监控系统和信息传输的功能模块，主要有遥控器通信和无线数据传输通信两种方式，通过优化升级能够将飞行器的状态信息进行双向传输，能够实现将四旋翼飞行器的动态信息进行有效显示。

（三）软件模块设计

对于姿态控制系统软件模块来说，可以将其分为单独的层次，同时还能确保运行期间实现数据信息的传输，能够在基于PID算法的基础上，实现底层驱动的模块化替换，促使整体控制系统具有较强的可移植性特点。其中主要是姿态解算软件，在实际姿态解算过程中，首先需要以实际运行情况为依据，对传感器内部的数据进行分类收集，通常情况下主要指的是陀螺仪、磁力计和加速度计三者内涵的数据信息，在此基础上，为了防止出现数据消失、跳变等情况，需要在传输过程中同时进行低通滤波处理，才能切实保证数据的真实性，并促使其始终保持平滑状态。以PID算法为基础，采用四元数进行姿态表示，其各项数据进行方程式带入，能够进行姿态的实时解算。除此之外还要加大对姿态控制软件设计的重视力度，在四旋翼飞行器中采用串级PID控制算法，将经由传感器检测系统中的姿态作为系统的反馈量，并与输入设定的姿态值作差，从而得到PID控制所需的偏量差，将系统中不同的电机转速数值进行记录，能够有效实现四旋翼飞行器姿态进行高质量、高效率的控制。

结论：综上所述，在基于PID算法背景下，加大对四旋翼姿态控制系统设计的重视力度，是满足现代化社会发展的必然趋势，同时也是飞行器灵活、平稳运行的重要保证，因此需要对PID参数、程序等进行精准确定和优化，才能真正意义上确保飞行控制系统充分发挥出其实际应用价值。

参考文献：

[1]赵国荣，何云风.基于块对角理论的四旋翼姿态控制系统设计[J/OL].飞行力学：1-5[2020-10-26].

[2]朱超，张红欣.基于ANFIS-PID的四旋翼姿态控制系统设计与仿真[J].机床与液压，2019，47（11）：163-167.

（沈阳航空航天大学  辽宁  沈阳  110136）