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基于PID控制的经典小型四旋翼飞行器设计案例

2018年01月29日 07:08 次阅读

一 项目可行性分析

背景分析:

无人飞行器自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点,并且在实际应用中存在大量的需求,主要优点包括:系统制造成本低,在执行任务时人员伤害小,具有优良的操控性和灵活性等。而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比,其优势还包括:飞行器起飞和降落所需空间少,在障碍物密集环境下的可控性强,以及飞行器姿态 保持能力高。小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比,其优势在于其机械结构较为简单,并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制,且飞行机动能力更加灵活。 另一方面,小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能,并具有在小区域范围内起飞,盘旋,飞行,着陆的能力。

因此我们根据四旋翼飞行器的特点,提出了一种数字式飞行控制系统的总体结构。飞行控制计算机是四旋翼飞行器自动驾驶仪的基本组成部件。采用模块化设计思想,设计开发一种基于PIC32 高性能单片机为核心的飞行控制计算机。四旋翼飞行器采用对称分布的结构形式,建立非线性数学模型。通过引入四个控制量,把非线性模型分解并线性化,得出悬停状态下四旋翼飞行器简化的线性模型,采用经典的PID 控制方法,并对数字仿真结果进行分析,验证控制方案的可行性;同时,制作四旋翼飞行器的结构外形和以传感器、飞行控制计算机、执行机构为核心的主体硬件, 在硬件和软件上都要实行其基本功能。

二 项目内容

本项目研究四轴飞行器,实现飞行、采样、数据传输等功能。所涉及到的技术很多,主要有:软件算法、微电子、模拟电子技术、机电一体化和自动控制理论等。所以,项目小组将其分析这个部分,一一攻克。

飞行控制系统理论分析,建立数学模型,硬件选型及原理设计

在研究四旋翼飞行器控制算法之前,首先必须建立飞行器系统的动力学模型。在本章中,首先介绍建模的基本方法:选取影响飞行器运动的关键受力和力矩,再根据相应的物理定律建立飞行器的动力学方程。然后在得到四旋翼飞行器的动力学方程之后,适当的选取控制量,运用控制理论中经典的 PID 控制算法。对飞行器系统进行控制。

2. 软件编程,同时进行硬件搭建

考虑到现实实验室的条件,实用采用以下的硬件方面采用PIC32做航姿校正控制核心,DsPIC30F4013做电机控制,PIC18F45K20做超声测距进行高度保持,nRF2401做数据传输,加速度传感器MMA7260。图1就是该系统框图。

航姿控制控制算法实现:

航姿控制控制算法应该包括姿态控制和航行行为控制。其中空中姿态控制应该是自主完成的,主要包括飞行器的自旋、俯仰、侧倾和高度。

而航行行为控制主要是由操作者通过无线传输对飞行器进行遥控操作的。如果空中姿态能够很好得控制和保持,那么航行行为控制的问题也就迎刃而解了。所以以下重点讨论空中姿态控制问题。为描述方便起见,由下图简单示意,后续描述皆以图为参考:

四轴飞行器的一切控制行为都是通过调整四个动力电机的转速来实现的。

首先,为了克服飞行器自旋,必须相邻的任意两电机转向相反;而位置相对的一对电动机转向一致(如上图所示),通过精确调整这两对电机的转速,使其反扭矩相互抵消,在此调整过程中为避免造成飞行器侧倾或俯仰角度发生变化,需同步改变位置相对的一对电动机的转速。

其次,为使飞行器保持水平,需要改变某一个电机的转速,以重新保持水平,而这一调整会引起四个电机反扭矩的不均衡,造成飞行器自旋,故而需要同步调整相对位置的同向旋转的电机的转速,使其重新达到平衡。例如飞行器由于某种扰动造成右倾,此时需要提高电机丁的转速从而增加其升力,而此一行为会造成整个飞行器顺时针力矩增加从而开始自旋,所以在增大电机丁的转速的同时还需要同步减小电机乙的转速,以抵消其增加反力矩。

最后,为了保持高度稳定,需要通过某种手段检测飞行器的实时高度,目前考虑的方案是超声波测距,日后不排除激光测距和GPS的可能性。不过超声测距和GPS的分工不同,超声测距主要负责在0~10m范围内的高度检测,而GPS的精度决定了它只适用于高度较高的情况下保持高度之用。

以上谈到的都是控制的原理,具体手段就需要通过单片机来实现了。如果想达到较好的控制效果,PID算法是必不可少的。同时三种调整过程是需要有机结合在一起组成一个完备的航姿控制算法体系的,三者相互渗透,相互引用,同时作用才能达到目的。譬如保持水平的同时需要随时检测自旋情况,并及时调整。

3. 测试程序,完成飞行器初步功能

4. 进一步修改,以降低飞行器功耗,提高飞行器性能

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发表于 2018-03-22 10:03 575次阅读
无人机遇冷_雷柏科技退出无人机

玩转西门子S7-300系列PLC的PID

玩转西门子S7-300系列PLC的PID

发表于 2018-03-21 10:46 552次阅读
玩转西门子S7-300系列PLC的PID

中国已经开始研究6G

2018年两会期间,央视新闻新媒体重磅推出系列访谈节目《部长之声》,记者带着网友们最关心的问题采访工...

发表于 2018-03-21 09:44 606次阅读
中国已经开始研究6G

大疆的崛起,让各方高度关注民用无人机市场

在行业应用类市场,大疆属于新进入者,而在这些细分市场本来就有一些较为强劲的对手,如在农业植保领域,大...

发表于 2018-03-21 09:42 617次阅读
大疆的崛起,让各方高度关注民用无人机市场

智能技术与武器装备的融合是未来军事发展的一大趋势

中国的技术公司如百度、阿里巴巴、腾讯等均积极开发和部署人工智能技术的应用,并依靠中国独立研发的高性能...

发表于 2018-03-20 15:09 845次阅读
智能技术与武器装备的融合是未来军事发展的一大趋势

为什么PID模块的输出一直是0

发表于 2018-03-20 14:35 236次阅读
为什么PID模块的输出一直是0

为什么我的PID模块的输出一直是0啊

发表于 2018-03-20 14:31 220次阅读
为什么我的PID模块的输出一直是0啊

有没有哪位大牛做过基于STM32以及NRF24L01模块的四轴飞行器

发表于 2018-03-20 11:53 553次阅读
有没有哪位大牛做过基于STM32以及NRF24L01模块的四轴飞行器

俄罗斯推出虚拟现实头盔用眼神控制无人机_只被授权...

随着技术的飞快发展和互联网时代商业模式创新,虚拟现实已成为当下最有前景、发展最快的行业之一。近日, ...

发表于 2018-03-20 10:22 85次阅读
俄罗斯推出虚拟现实头盔用眼神控制无人机_只被授权...

舰载无人机测控系统关键技术大盘点

舰载无人机 系统按功能划分一般包括飞行器平台、测控与信息传输系统(简称 测控系统 )、任务载荷系统...

发表于 2018-03-20 09:59 216次阅读
舰载无人机测控系统关键技术大盘点

PID属于无模型控制,调节三个环节的参数会产生什...

积分环节的意义就相当于你增加了一个水龙头,这个水龙头的开关规则是水位比预定高度低就一直往大了拧,比预...

发表于 2018-03-19 15:08 435次阅读
PID属于无模型控制,调节三个环节的参数会产生什...

雷声为 “特里同”海上无人机提供多光谱传感器系统

雷声公司多光谱瞄准系统为有人和无人机作战昼夜提供情监侦(ISR)、探测、识别和瞄准能力。多光谱瞄准系...

发表于 2018-03-19 09:47 512次阅读
雷声为 “特里同”海上无人机提供多光谱传感器系统

无人值守地面传感器成为探测时敏目标的重要手段

由于采用内部传感器处理,仅传输了少部分目标数据用于网络中心战。低拦截率(LPI)与LPD通信链路可能...

发表于 2018-03-19 09:43 1588次阅读
无人值守地面传感器成为探测时敏目标的重要手段

无人机飞手能赚多少钱?为何轻松又赚钱?

无人机IT行业 IT行业一直是360行中最具革命精神的领域,随着生产工具的日益改进,生产者的职业身份...

发表于 2018-03-19 09:32 448次阅读
无人机飞手能赚多少钱?为何轻松又赚钱?

广东电网无人机自动驾驶有多牛?无人机自动驾驶系统...

广东电网的无人机自动驾驶水平有多牛?一张由无人机上高清变焦相机拍回的照片就能说明:在几十米高的输电铁...

发表于 2018-03-18 11:39 226次阅读
广东电网无人机自动驾驶有多牛?无人机自动驾驶系统...

沃达丰新式无人机追踪和控制技术用以管制无人机

沃达丰宣布其正在试验一种新式无人机追踪和控制技术,以便对无人机进行空中交通管制,这在世界范围内尚属首...

发表于 2018-03-16 14:49 792次阅读
沃达丰新式无人机追踪和控制技术用以管制无人机

基于亚马逊无人机送货系统

亚马逊的APP气囊可以保护包裹免受损坏或被移动,这样就可以让货物从5英尺到25英尺左右的高度直接落下...

发表于 2018-03-16 14:01 808次阅读
基于亚马逊无人机送货系统

PID控制算法精华和参数整定三大招

在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器是应用最为广泛的一种自...

发表于 2018-03-16 13:56 7046次阅读
PID控制算法精华和参数整定三大招

Cora飞机能在未来几年推出空中的士服务

Uber 的“空中飞的”将设计成固定机翼,采用垂直起降(VTOL)的方式,以期减少直升机螺旋桨的噪音...

发表于 2018-03-16 09:13 622次阅读
Cora飞机能在未来几年推出空中的士服务

植保行业“很有可能领先世界”工业级无人机进入“大...

无人机 市场有所谓“红海”一说以来,工业级会是下一个“蓝海”的论调就在无人机领域不断涌现。然而,即便...

发表于 2018-03-15 15:20 145次阅读
植保行业“很有可能领先世界”工业级无人机进入“大...

最简单的单片机PID控制算法程序

/*************定义全局变量*****************/uchar Kp,TI,...

发表于 2018-03-15 13:41 650次阅读
最简单的单片机PID控制算法程序

用matlab怎么检测无人机图传信号中有WiFi干扰?

发表于 2018-03-14 20:11 278次阅读
用matlab怎么检测无人机图传信号中有WiFi干扰?

广东电网公司2025年将全部实现无人机自动驾驶

当前,自动驾驶技术炙手可热,但多数目光集中于汽车领域。广东电网公司异军突起,在业内率先建成多旋翼无人...

发表于 2018-03-13 14:24 802次阅读
广东电网公司2025年将全部实现无人机自动驾驶

已出的三部40多个视频在讲什么?

发表于 2018-03-10 20:21 212次阅读
已出的三部40多个视频在讲什么?

基于labview的pid液位控制论文

发表于 2018-03-10 15:09 521次阅读
基于labview的pid液位控制论文

C语言的PID实现

发表于 2018-03-09 16:33 475次阅读
C语言的PID实现

PID光离子化有机气体检测仪工作原理

发表于 2018-03-05 17:04 88次阅读
PID光离子化有机气体检测仪工作原理