【正文】 23 圖 超聲波高度數(shù)據(jù)折線圖 四旋翼高度的自動控制 需要是飛行器做到穩(wěn)定的懸停在預(yù)定的高度上，而穩(wěn)定的懸停需要精準(zhǔn)的油門控制，這需要用到 PID 控制算法 （圖 ） 。 PID 控制即比例，積分，微分控制。涉及到預(yù)設(shè)量就是飛行器的高度，被調(diào)量為油門 PWM 值，而輸出量是電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小。 PID 控制就是為了能在飛行器高度偏離預(yù)定高度時以最快的速度達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。 圖 PID控制原理圖 PID 控制算法中 ,P就是比例控制，就是為了使高度變化量與油門輸出信號成正比，高度變化越多，油門改變量就越大。但是只 有比例控制時，系統(tǒng)就會存在強(qiáng)烈的波動，并且存在穩(wěn)態(tài)誤差，為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，這時需要用到 I參加控制即積分控制，油門輸出的信號與高度變化量的積分成正比，也就是高度變化的時間越長，油門輸出信號也會增加，比例和積分同時控制就可以有效的消除穩(wěn)態(tài)誤差。為了時系統(tǒng)更快的到達(dá)穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是減小系統(tǒng)的震蕩次數(shù)，就需要 D控制的參與，即微分控制，北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 微分控制是油門的輸出量與高度的變化率成正比，可使系統(tǒng)以最快的速度恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。 float Kp=。//參數(shù) P float Ki=。 //參數(shù) I float Kd=。 //參數(shù) D float output=nowOutput+Kp*(errorLastError_1)+ Ki*((error+LastError_1)/2) +Kd*(error2*LastError_1+LastError_2)。 上式為 PID 控制算法部分程序， PID 控制中，最關(guān)鍵的是比例系數(shù)，積分系數(shù)和微分系數(shù)的整定，本項(xiàng)目使用的是工程整定法，就是直接在控制系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，試飛測試。首先整定的是比例參數(shù) Kp， 通過調(diào)節(jié)比例系數(shù)的值， 使系統(tǒng)達(dá)到相對較好的 狀態(tài)；再調(diào)整積分參數(shù) Ki，由試飛可以看出，沒有 I 的控制，飛行器的預(yù)設(shè)高度和自動控制下的高度有一個偏差，為了消除這個偏差，增加了積分系數(shù)。最后調(diào)節(jié)微分控制 Kd，增加微分系數(shù)使得系統(tǒng)更快的到達(dá)穩(wěn)態(tài)。 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)通過測量飛行器高度的變化過程可以看出參數(shù)的整定優(yōu)良， 圖 中，一條折線變化很大，此 PID參數(shù)的整定值不太合適，通過不斷的實(shí)驗(yàn)調(diào)參，得到了另一條相對平穩(wěn)的這線，此時的 PID 參數(shù)比較合適，能夠使飛行器達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)。 圖 不同的 PID 參數(shù)整定對應(yīng)飛行器高度變化 程序調(diào)試中出現(xiàn)的問題及 解決方法 程序調(diào)試時在讀取超聲波傳感器高度數(shù)據(jù)時會出現(xiàn)高度跳動非常大的問題 ， 當(dāng)沒有電機(jī)轉(zhuǎn)動時，超聲波傳感器的高度數(shù)據(jù)平穩(wěn)而且準(zhǔn)確，當(dāng)電機(jī)參與轉(zhuǎn)動時，超聲波的數(shù)據(jù)在串口顯示中就會出現(xiàn)強(qiáng)烈的跳動。當(dāng)油門關(guān)閉時，四旋翼飛行器放置在固定的高度位置，超聲波高度數(shù)據(jù)如圖 中 菱形 折線所示 。當(dāng)有油門時，飛行器放置在同一高度，超聲波高度數(shù)據(jù)如圖 正方形 折線 所示 ， 此時接收到的高度數(shù)據(jù)與實(shí)際高度完全不相符，所以無法取得定高時的實(shí)際高度。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 超聲波高度數(shù)據(jù) 折線圖 為了解決此問題，測試結(jié)果顯示電機(jī)的噪聲和機(jī)架的強(qiáng) 烈震動會影響超聲波的數(shù)據(jù)信號，所以將超聲波傳感器放置離電機(jī)距離相對較遠(yuǎn)的位置，并且加以減震 ， 此時超聲波傳感器的信息數(shù)據(jù)就趨于平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大幅度震顫的情況。 四旋翼飛行器高度自主控制系統(tǒng) 此飛行器自動定高系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：對自動定高選用了 arduino 控制板進(jìn)行嵌入飛控與接收機(jī)作為油門的控制，簡單有效的實(shí)現(xiàn)飛行器的手動自動切換和自動定高的實(shí)現(xiàn)功能?？梢圆恍枰ǚ浅６嗟臅r間去解讀飛控里繁瑣復(fù)雜的代碼就能夠拓展增加其他飛行功能。 利用超聲波模塊來檢測高度，由于超聲波模塊測量精度高，距離大，并且有測量角度范圍。 所以在飛行器姿態(tài)變化時，飛行器輕微的傾斜導(dǎo)致超聲波無法與地面垂直并不會影響到測量的結(jié)果；超聲波測量相對距離，所以可以在有地形變化的情況下，實(shí)現(xiàn)地形定高。 飛行器控制系統(tǒng)的不足： 由于選用了控制板的嵌入，油門通道 的信號 無法第一時間傳送給飛控， 在控制器中進(jìn)行了有一次的運(yùn)算， 導(dǎo)致在控制飛行器時會有一定的延時，而精度也會 受 到相對的影響。 超聲波在精度上很高，但是超聲波模塊受環(huán)境的影響，在溫度和周圍設(shè)備的干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 由于沒有給予超聲波傳感器在飛行器姿態(tài)上的補(bǔ)償，而超聲波傳感器測量的是與地面的垂直距離 ，所以在飛行器偏轉(zhuǎn)角度極大時，超聲波傳感器測量的高度數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，所以飛行器只能進(jìn)行較小的偏轉(zhuǎn)。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 結(jié) 論 本課題針對四旋翼飛行器設(shè)計(jì)了飛行器自動定高的控制系統(tǒng) ， 完成對四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)飛行器的測試任務(wù)。 本課題的四旋翼控制系統(tǒng)主要選用了 CC3D 飛行控制器， 具有基本的飛行器自穩(wěn)功能， 基于 Arduino 編程環(huán)境的 arduino2560 控制器和 HCSR04 超聲波傳感器。 通過超聲波傳感器作為高度測量裝置，控制板嵌入飛控與接收機(jī)之間，通過手動自動模式切換實(shí)現(xiàn)油門的手動控制與自主 定高控制?？刂瓢遄鳛楦叨瓤刂频闹骺叵到y(tǒng)，通過讀取超聲波傳感器的高度信號，進(jìn)而改變輸出油門的大小，來控制飛行器的油門變化，實(shí)現(xiàn)高度自主控制的功能。該系統(tǒng)可以在一定的高度內(nèi)對飛行器實(shí)現(xiàn)高度的自主控制，使飛行器在不同的路面或者傾斜地面上進(jìn)行相對高度位置確定的自主控制。 四旋翼飛行器定高系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，通過設(shè)計(jì)手動模式和自動模式可以實(shí)現(xiàn)飛行器油門的手動控制和自動定高控制的功能，使用 PID 算法來控制油門的輸出量大小，可以使飛行器在偏離預(yù)定高度時，以極快的速度到達(dá)預(yù)定高度，并使飛行器穩(wěn)定于預(yù)設(shè)高度上。定高的實(shí)現(xiàn)主要由 超聲波高度信號的讀取和油門信號的輸出，最終通過整定 PID 算法中三個參數(shù)使飛行器在高度上達(dá)到相對穩(wěn)定的定高。 設(shè)計(jì)主要基于超聲波檢測濾波和 PID 算法控制油門 PWM 的飛行器高度控制系統(tǒng)。通過工程整定法調(diào)節(jié) PID 參數(shù)， 經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)測試和參數(shù)調(diào)試證明了此自動定高控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對四旋翼飛行器的高度自主控制，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的結(jié)果。 對四旋翼飛行器自動定高系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是一個漫長，復(fù)雜的過程，需要很長時間的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，并且還受到資金，空間和硬件條件限制，未能夠更深入的探索研究，在控制系統(tǒng)中還需要很多方面 加以完善。 四旋翼使用的超聲波傳感器受到四旋翼姿態(tài)偏轉(zhuǎn)的限制，無法在大角度偏轉(zhuǎn)時完成定高功能，因此，下一步還需要跟飛行控制器中的姿態(tài)數(shù)據(jù)相結(jié)合，補(bǔ)償飛行器在姿態(tài)偏轉(zhuǎn)中造成的誤差損失。超聲波傳感器受到外界硬件的噪聲干擾嚴(yán)重，需要對器進(jìn)行更好的濾波，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)穩(wěn)定的傳輸高度數(shù)據(jù)。 此飛行器自動定高系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：對自動定高選用了 arduino 控制板進(jìn)行嵌入飛控與接收機(jī)作為油門的控制，有效的實(shí)現(xiàn)飛行器的手動自動切換和自動定高的實(shí)現(xiàn)功能，并通過控制板調(diào)節(jié)油門輸出進(jìn)而控制飛行器高度?？刂瓢遄鳛楦叨瓤刂葡到y(tǒng)，飛控作為姿態(tài)控制 系統(tǒng)，對飛行器的飛行路線姿態(tài)進(jìn)行改變，控制板作為拓展系統(tǒng)使飛行器的飛行功能更加完善。 利用超聲波模塊來檢測高度，由于超聲波模塊測量精度高，距離大，并且有測量北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 角度范圍。所以在飛行器姿態(tài)變化時，飛行器輕微的傾斜導(dǎo)致超聲波無法與地面垂直并不會影響到測量的結(jié)果；超聲波測量相對距離，所以可以在有地形變化的情況下，實(shí)現(xiàn)地形定高。 飛行器控制系統(tǒng)的不足： 由于選用了控制板的嵌入，油門通道 的信號 無法第一時間傳送給飛控， 在控制器中進(jìn)行了有一次的運(yùn)算， 導(dǎo)致在控制飛行器時會有一定的延時，而精度也會 受 到相對的影響。 超聲波在精度上很 高，但是超聲波模塊受環(huán)境的影響，在溫度和周圍設(shè)備的干擾嚴(yán)重，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 由于沒有給予超聲波傳感器在飛行器姿態(tài)上的補(bǔ)償，而超聲波傳感器測量的是與地面的垂直距離，所以在飛行器偏轉(zhuǎn)角度極大時，超聲波傳感器測量的高度數(shù)據(jù)將不準(zhǔn)確，所以飛行器只能進(jìn)行較小的偏轉(zhuǎn)。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 致 謝 四年的大學(xué)生涯轉(zhuǎn)瞬即逝 ， 大學(xué)讀書生活即將結(jié)束，馬上就要步入社會，這四年的刻苦學(xué)習(xí)，老師們的諄諄教導(dǎo)，使我在未來的事業(yè)道路上有了一定的基礎(chǔ)。畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文的考驗(yàn)也使我對未來的道路充滿了挑戰(zhàn)和憧憬。 在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障 礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過了 難關(guān)。尤其要強(qiáng)烈感謝我的指導(dǎo)老師 張東波老師， 在我對設(shè)計(jì)和論文感到強(qiáng)大的壓力和許多的未知時，您 對我進(jìn)行了無私的指導(dǎo)和幫助。 每次我提出的問題都能細(xì)心的解答并且提出許多修改的意見，還有我許多沒有注意到的細(xì)節(jié)問題，使我的論文一步一步的完善，內(nèi)容更加豐富和專業(yè)。 在此向幫助和指導(dǎo)過我的各位老師表示最 忠 心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。 北京聯(lián)合大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 參考文獻(xiàn) [1]Vaibhav Ghadiok Jeremy Goldin Wei Ren. On the design and de velopment of attitude stabilization,visionbased navigation, and aerial gripping for a lowcost Quadrotor[D]. Auton Robot,2021:4158. [2]王勇軍 . 四旋翼飛行器的工作原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì) [N]. 桂林航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報 ,2021:03. [3] 馬丁西蒙斯 .模型飛機(jī)空氣動力學(xué) [M]．航空工業(yè)出版社 ,2021:528. [4] Fahlstrom P G．無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論 [M]．吳 漢平譯．北京 :電子工業(yè)出版社 ， 2021:7987. [5]劉曉杰 ,趙曉暉 ,顧海軍．微小型四旋翼無人機(jī)實(shí)時嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J]．電子技術(shù)應(yīng) 用 ， 2021（ 5） :2940. [6]楊慶華，宋召青 .四旋翼飛行器的建模控制與仿真 [N].海軍工程學(xué)院學(xué)報 ,2021: 05. [7]李秀英，劉彥博 .基于 PWM 的四旋翼飛行器控制方法 [N]. 吉林大學(xué)學(xué)報信息科學(xué)版， 2021:05. [8]劉峰，呂強(qiáng)，王國勝，王東來 .四軸飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].計(jì)算機(jī)測量與控制， 2021,15 (2):1923. [9]邱曉紅，景華 .無人機(jī)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢 [J].航空科學(xué)技術(shù)， 2021:01. [10]Scott .A Small Semiautonomous Rotarywing Unmanned Air Vehicle[D].University of Pennsylvania,2021:1829. [11]ALTUG based control of unmanned aerial vehicles with applications to autonomous four rotor helicopter quadrotor[D]. University of Pennsylvania,2021:512.