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20世紀(jì)初四軸飛行器姿態(tài)控制的研究并沒有得到重視。進(jìn)入21世紀(jì)以來，科技發(fā)展迅速，四軸飛行器的研究得以不斷開展。其功能不斷增多、穩(wěn)定性及續(xù)航時(shí)間不斷增強(qiáng)，但是其穩(wěn)定性還不夠理想。

針對(duì)四軸飛行器穩(wěn)定性不高的缺點(diǎn)，加入數(shù)字信號(hào)傳輸系統(tǒng)，使之能與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的雙向通訊，然后將遙控控制信號(hào)傳輸至飛行器，并將四軸飛行器姿態(tài)控制當(dāng)前的姿態(tài)角、高度等信息返回給上位機(jī)，在上位機(jī)和四軸飛行器之間建立雙向的數(shù)據(jù)鏈，四軸飛行將遙控信號(hào)和飛行器姿態(tài)、位置信息反饋給上位機(jī)，上位機(jī)再經(jīng)過穩(wěn)定性測(cè)試后，將上述信息再負(fù)反饋給四軸飛行器。在通信速度為1Kbps的條件下，可以使其有效距離達(dá)到3000米以上，從而達(dá)到遠(yuǎn)距離運(yùn)行。

四軸飛行器包括四個(gè)機(jī)翼，四個(gè)電機(jī)的尺寸相同，每個(gè)電機(jī)控制一個(gè)旋翼，飛行控制計(jì)算機(jī)控制四個(gè)電機(jī)，四個(gè)電機(jī)之間通過支架連接起來，其具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1四軸飛行器結(jié)構(gòu)圖

四軸飛行器通過四個(gè)電機(jī)的支架構(gòu)成主要軀干，由軀干的不同運(yùn)動(dòng)而形成立體的六個(gè)自由度，通過對(duì)電機(jī)進(jìn)行不同的加減速而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的離心力。根據(jù)離心力的方向來實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性的自由度的控制，從而平衡反轉(zhuǎn)矩，四軸飛行器姿態(tài)控制狀態(tài)分別是以下幾種。

經(jīng)典的單環(huán)位置式PID算法：即PID(output)=P*(姿態(tài)角誤差)+I*（誤差積分）+D*（誤差微分）,雖然可以做到四軸飛行器的自平衡，但由于誤差微分項(xiàng)的嚴(yán)重滯后以及四軸飛行器極不穩(wěn)定，導(dǎo)致實(shí)際的PID整定過程會(huì)非常漫長(zhǎng)，很難成功。所以我們?cè)诖怂惴ㄉ献龀龈纳?；通過控制兩個(gè)單環(huán)式PID算法，即串級(jí)PID(output)=內(nèi)環(huán)P*(姿態(tài)角誤差)+內(nèi)環(huán)I*（誤差積分）+內(nèi)環(huán)D(角速度)+外環(huán)P(姿態(tài)角誤差)。其內(nèi)外環(huán)P、I、D值對(duì)應(yīng)的公式調(diào)節(jié)，有以下部分：

（1）比例項(xiàng)內(nèi)環(huán)P輸出：內(nèi)環(huán)P的值影響著四軸的穩(wěn)定性，即P的值與系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差K呈正比：

（2）積分項(xiàng)內(nèi)環(huán)I輸出：同理，內(nèi)環(huán)I的值對(duì)四軸的穩(wěn)定性也存在影響，在時(shí)間常數(shù)的積分下，K與I呈正比關(guān)系：

（3）微分項(xiàng)內(nèi)環(huán)D輸出：微分項(xiàng)對(duì)于調(diào)節(jié)偏差值的變化起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)偏差值發(fā)生變化時(shí)，在P端添加一個(gè)恒定的偏差值，減小穩(wěn)定性的誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：

（4）比例項(xiàng)外環(huán)P輸出：同理，外環(huán)P的值也影響著四軸的穩(wěn)定性， P的值與系統(tǒng)穩(wěn)定性誤差K呈正比，逐步提高四軸穩(wěn)定性：

綜上所述，內(nèi)外環(huán)P、I、D所述得到一條公式，即PID控制的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

對(duì)于其串級(jí)PID算法步驟，具體實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5串級(jí)PID算法流程圖

在通過上位機(jī)中的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)串級(jí)PID時(shí)，首先設(shè)定期望角度，將期望角度輸出到角度環(huán)PID控制器中，再通過角度環(huán)PID輸出到角速度環(huán)PID控制器中，然后用四個(gè)PWM波輸出到對(duì)應(yīng)的四個(gè)電機(jī)上，IMU（慣性測(cè)量監(jiān)控）隨時(shí)用來重新測(cè)量四軸飛行器姿態(tài)控制的穩(wěn)定值。一方面IMU通過負(fù)反饋到角速度環(huán)PID控制器中，另一方面IMU以3D姿態(tài)負(fù)反饋到期望角度中，循環(huán)之前的步驟，直到調(diào)節(jié)到相對(duì)穩(wěn)定的平衡值。對(duì)于如何整定串級(jí)PID值，本文主要從調(diào)節(jié)串級(jí)PID中的內(nèi)外環(huán)P、I、D值，從而使四軸穩(wěn)定性逐步提高。

通過調(diào)節(jié)串級(jí)PID算法中的內(nèi)外環(huán)P、I、D值，使四軸飛行器姿態(tài)控制穩(wěn)定性大幅度提高，從而順利地完成負(fù)載探測(cè)器以及航拍的任務(wù)等等。然而在實(shí)際操作中，理論與實(shí)踐還存在一定差距，四軸會(huì)受到外部環(huán)境的一些干擾。因此還需要對(duì)軟件部分進(jìn)行優(yōu)化，硬件部分進(jìn)行升級(jí)，最終慢慢地達(dá)到理想效果。

標(biāo)簽： 四軸飛行器姿態(tài)控制