基于超聲波技術(shù)的四旋翼無人機定高控制系統(tǒng)的研究

沈陽陽

本文主要研究基于超聲波技術(shù)的四旋翼無人機定高控制系統(tǒng)，本文首先對四旋翼無人機的控制系統(tǒng)進行建模，得到控制系統(tǒng)的原理框圖，需要對控制系統(tǒng)的俯仰通道，滾轉(zhuǎn)通道，以及高度通道進行參數(shù)調(diào)節(jié)，本文主要針對高度控制系統(tǒng)進行研究，通過MATLAB仿真實驗，調(diào)節(jié)控制器的PID參數(shù)，通過迭代的試湊法，分析系統(tǒng)的得到的響應(yīng)時間、超調(diào)量、上升時間等性能指標(biāo)，得到最優(yōu)控制系統(tǒng)的參數(shù)，最終得到期望的高度PID控制器。

【關(guān)鍵詞】超聲波 PID 控制系統(tǒng) 性能指標(biāo)

1 PID控制器簡介

近些年來，無人機在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。無人機要實現(xiàn)自動控制、自主飛行任務(wù)的關(guān)鍵在于無人機飛行控制系統(tǒng)，其不僅包括傳感器控制器等的硬件平臺，而且還包括內(nèi)部所采用的控制算法，其中控制算法是整個無人機控制的核心，在飛行控制系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

四旋翼飛行器是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，可以通過四個電機的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)對四旋翼飛行姿態(tài)的控制。欠驅(qū)動系統(tǒng)為一類很復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，對于這種系統(tǒng)的控制有一定難度。對于欠驅(qū)動、非線性的系統(tǒng)的研究方法有很多，這些控制方法分為PID控制、反步控制、滑?？刂埔约耙恍┲悄芸刂品椒?。本文對四旋翼飛行器采用的控制方法是雙環(huán)PID控制，這種控制既具備經(jīng)典PID控制結(jié)構(gòu)簡單，又考慮了系統(tǒng)遇到外部干擾時候的情況。

PID控制器的原理很簡單，就是將系統(tǒng)的實際輸出量與目標(biāo)輸入量做差得到誤差，之后系統(tǒng)對誤差信號做比例，積分和微分運算并對這三部分的信號量求和作為系統(tǒng)的控制信號。常規(guī)的PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）、微分單元（D）構(gòu)成。

2 超聲波傳感器在無人機中的應(yīng)用

超聲波測距是最簡單的感知系統(tǒng)，例如生活中常見的汽車倒車?yán)走_，在Parrot等無人機上被人熟知。其基本原理是測量超聲波的飛行時間，通過公式d=vt/2測量相關(guān)距離。具體是通過壓電或靜電變送器產(chǎn)生一個頻率在幾十kHz的超聲波脈沖組成波包，系統(tǒng)檢測高于某閾值的反向聲波，檢測到后使用測量到的飛行時間計算出距離。由于超聲傳感器的成本低、實現(xiàn)方法簡單、精度高、技術(shù)成熟，在無人機定高控制系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用。

3 高度控制器模型建立

在四旋翼飛行器閉環(huán)控制系統(tǒng)中，創(chuàng)建串聯(lián)的速度/位置反饋控制系統(tǒng)，在這個模型中，會考慮俯仰通道，滾轉(zhuǎn)通道，以及高度控制。為了做控制器的設(shè)計，我們還需要使用估計出來的線性模型模型調(diào)節(jié)PID。在這里，我們只考慮四旋翼飛行器的高度控制。四旋翼飛行器的高度控制我們采用PI控制器，四旋翼飛行器物理模型建好后，通過Matlab軟件中的SimMechanics仿真部分對四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的高度控制進行仿真。

利用MATLAB軟件對系統(tǒng)進行仿真建模如圖1。

首先設(shè)定kp=ki=1，采樣時間sample time 0.01s，給一個階躍信號做系統(tǒng)辨識，在t=6s的時候，輸入一個階躍信號，這個階躍信號的偏移量為1，6s時階躍信號的高度A為0.5，從辨識對象的輸出與我們對被控對象的了解，可以看出被控對象為一個二階系統(tǒng)，且?guī)б粋€零點。

可以得到被控對象的辨識，被控對象的輸入信號，需要不斷的迭代試湊法，對系統(tǒng)進行優(yōu)化后得到系統(tǒng)最優(yōu)參數(shù)為K=8.533，tw=3.36，tz=0.9613，§=0.9。得到Simulation dada inspector曲線如圖2。

綠色曲線是我們期望的信號，結(jié)合仿真曲線圖各個曲線的性能指標(biāo)，我們可以看出淺綠色線的響應(yīng)時間與上升時間最短，但是它有很大的震蕩性，超調(diào)與魯棒性都最差，而黃色曲線雖然響應(yīng)時間和上升時間比較慢，但是超調(diào)量與魯棒性最好，因此，我們選用黃色曲線為我們的最優(yōu)參數(shù)曲線，即選取kp=3.137，ki=2.331。

4 結(jié)論

本文介紹了用超聲波模塊幫助四旋翼飛行器實現(xiàn)定高的功能，首先對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行分析，對定高控制器進行建模，之后用MATLAB中的simulink進行仿真，對PID進行參數(shù)調(diào)節(jié)，通過大量的仿真實驗以及得到的波形曲線，分析其性能指標(biāo)，得到我們最滿意的一組，即符合我們要求的響應(yīng)曲線。

作者單位

長春理工大學(xué) 吉林省長春市 130022