基于四旋翼飞行器的PID算法改进

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摘 要 四旋翼飞行器具有不稳定，非线性，强耦合等特点。为了使飞行器能够稳定飞行，采用两个PID串联，同时对位置式PID算法进行改进，PID参数整定后试飞结果显示，飞行器能够稳定的保持平衡。

【关键词】串级PID 位置式PID

四旋翼飞行器常用的飞行姿态控制算法是PID算法，PID算法作为最经典的控制算法，它的公式如下：

公式中：Kp乘以误差e（t），用以消除当前误差；积分项系数Ki乘以误差e（t）的积分，用于消除历史误差积累，可以达到无差调节；微分项系数Kd乘以误差e（t）的微分，用于消除误差变化，也就是保证误差恒定不变。由此可见，P控制是一个调节系统中的核心，用于消除系统的当前误差，然后，I控制为了消除P控制余留的静态误差而辅助存在，对于D控制，所占的权重最少，只是为了增强系统稳定性，增加系统阻尼程度，修改PI曲线使得超调更少而辅助存在。

1 原理分析

四旋翼飞行器的原理：图1是比较常见采用单环PID控制的飞行器原理图，惯性测量模块（IMU）MPU6050测量出当前飞机的三轴加速度与三轴角速度并传送给单片机处理，由单片机进行基于四元数的姿态解算，求解出当前飞机的pitch、roll、yaw三个角度值，然后根据这三个角度经过PID控制运算，输出四路PWM控制四个直流有刷电机的加减速从而达到飞机的平衡悬停。由于采用单环PID算法，四旋翼飞行器的姿态控制不精确，飞行过程中遇到强干扰（大风），会导致掉机现象，所以要对pid算法进行改进来适应四旋翼飞行器的控制要求。

2 PID算法改进

2.1 串级PID

首先由于单环角度PID控制只是考虑了飞行器的角度问题，如果想增加飞行器的稳定性（增加阻尼）并提高它的控制品质，我们可以进一步的控制它的角速度，于是可以采用角度/角速度-串级PID控制算法，它的原理如图2。

它增强了系统的抗干扰性，也就是增强稳定性，因为有两个控制器控制飞行器，它会比单个控制器控制更多的变量，使得飞行器的适应能力更强。

2.2 改进位置式PID算法

位置式PID算法的公式如下：

其中，P（n）为第n次输出，e（n）为第n次偏差值，Ts为系统采用周期，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。

在实际当中，我们要对微分项D，做出改变，标准PID的微分项D=kd*（e（n）-e（n-1）），在实践过程中因为角度的微分就是角速度，而MPU60590芯片的输出就是角速度，所以不需要将微分项作为偏差的差，而是直接用Kd乘以芯片输出数得到微分项D的数值。

2.3 PID参数的整定

根据在实际当中作者的整定经验，先整定内环，再整定外环。最好能看曲线图，判别特征曲线，这样能够事半功倍。

3 结语

采用串级PID控制后，以及对位置式PID算法进行改进后，四旋翼飞行器的稳定性得到了进一步的加强。

参考文献

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作者单位

东莞职业技术学院电子工程系 广东省东莞市 523808