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四旋翼飞行器的串级PID姿态控制

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赵亮王强徐立攀周晨

摘要：四旋翼飞行器通过调节四个电机的转速来实现俯仰、翻滚、偏航运动，飞行姿态控制是关键。本文通过一种串级PID控制算法，通过参数整定，有效实现了四旋翼飞行器的姿态控制。

关键词：四旋翼；无人机；串级PID

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）08-0248-02

四旋翼飞行器是目前热门热点，其飞行姿态控制有着非线性、强耦合、欠驱动、干扰敏感等特点，因此其控制器的设计比较复杂。随着越来越多先进的控制理论的提出和实践，人们尝试各种控制算法去改善其飞行性能。基于PID进行改造的控制方法应该是最基本也是最实用的方法，本文尝试一种串级PID的控制方法对四旋翼飞行器进行控制。

1串级PID控制算法原理

根据四旋翼飞行器的动力学模型可知：三个姿态角即翻滚角（Roll）、俯仰角（Pitch）和偏航角（Yaw），简化后三个方向都是一个二阶系统，可对三个方向分别使用PID控制。

本文姿态控制采用基于文献提出的串级PID控制方法来控制姿态，即内回路为速度控制环，外回路为角度控制环。具体控制框图如下图1所示：

2 PID参数的整定

采用串级PID控制策略，内环相对外环是独立的，在内环参数整定过程中，不用考虑外环系统模型参数，因此先调内环，再调外环。

（1）内环PID参数

a.内环比例P

Roll内环角速度PID调节，当P=0.1时，调整时间过长；当P=0.2时，调整时间缩短了一半。增大比例系数可以增加系统的回复力，从而减少调整时间，但是一味的增大比例系数会导致系统震荡，观察P=0.2恢复平衡后的PID输出，可以发现虽然当前角度已经处在平衡点，但是PID输出经过几个波动后才渐趋平稳，而对比P=0.1可以看到，在当前值处于平衡点时，PID的控制输出时非常平稳的。为了加快调整时间，同时减少系统的震荡，最终取比例系数P为0.15。

b.内环微分参数D

微分项具有增加系统阻尼的作用。观察D=0.1和D=0.2输出结果发现，增大微分项，PID控制输出角度平稳后波动少，波动幅度小，控制非常平稳，这样系统的震荡就大大降低了。考虑调整时间和系统阻尼，微分项系数D取0.1。

c.内环积分项参数Ⅰ

给积分项Ⅰ初定为0.1，可以明显看到输出值跟目标值接近，也就是说系统的稳态误差被消除了，但震荡也非常明显，如果继续增大积分项Ⅰ，系统的控制输出震荡将加大，系统最终将失去稳定。最终确定积分项系数0.07。

（2）外环PID参數

实验发现，当内环控制非常平稳的时候，外环参数整定非常方便，参数可以在一定范围内调整，而输出仍然非常平稳。发现纯比例调节的时候，输出已经能够实现平稳状态。微分项和积分项可以根据要求适量加入。最终取P=4.5，I=0，D=0。

3测试结果

单轴PID测试的结果曲线如下图2所示：

图2中有三种颜色的线，红色的线是目标值，我们期望目标是处于0度，即处于平衡位置；绿色的线是当前值，是测得当前Roll的姿态；黄色的线代表经过PID控制器输出的量。图中的纵坐标是角度，横坐标为图像的帧数，一帧图像为100ms，即0.1s。观察曲线我们可以看到，上电一瞬间，当前Roll经过一个小波调整之后就恢复到平衡状态，调整时间在50帧，即5s，超调量在10度。

单轴Roll的外力干扰实验测试如下图3：

从图3曲线中我们可以看到，当第一次到达稳定状态后，在Roll方向给个外力，四旋翼经过一个波的调整马上又恢复到了平衡状态。外力干扰的实验表明，四旋翼在室外飞行时，可有效抵抗风力的干扰。

4结论

用同样的方式，在Pitch和Yaw方向进行了串级PID参数整定，最终所得四旋翼姿态平衡的PID参数如下表1所示。

经过整机实验调试，证明该组串级PID控制参数，对四旋翼飞行器控制效果良好。

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