- 以STM32F4為控制核心的四軸航拍飛行器的設計與實現

通過前面一章的介紹我們已經的達到了俯仰，橫滾，航向三個控制量，然后將它們分別輸入三個獨立的如上圖所示的PID控制器，我們可以得到三個PID輸出：pid_roll，pid_pitch，pid_yaw將這三個輸出量做簡單的線性運算輸出給電機。部分代碼如下：

#define PIDMIX(X,Y,Z) Motor_Thr + pid_pitch* Y+ pid_roll*X + pid_yaw*Z

MOTOR1=MOTORLimit(PIDMIX(+1,+1,-1));? ???? //REAR_R? 后右電機

MOTOR2=MOTORLimit(PIDMIX(-1,-1,-1));??? ?????? //FRONT_R 前右電機

MOTOR3=MOTORLimit(PIDMIX(-1,+1,+1));? ?????? //REAR_L? 后左電機

MOTOR4=MOTORLimit(PIDMIX(+1,-1,+1));? ?????? //FRONT_L 前左電機???

4.3. PID參數調節

PID參數的整定是PID控制的關鍵環節，直接影響到控制的效果。故一個PID設計的好不好往往要看其參數能否調節好，本設計的PID參數調節采用湊試法。湊試法是通過實際的閉環系統，通過觀察系統的響應曲線，在本設計中通過觀察被調量，PID輸出，設定值三條曲線，判斷出kp,ki,kd對系統響應的影響，反復嘗試，最終達到滿意響應，從而達到確定控制參數的kp,ki,kd的目的。在參數調節過程總遵循以下原則[17]:

（1）在輸出不振蕩時，增大比例增益P。

（2）在輸出不振蕩時，減小積分時間常數Ti。

（3）在輸出不振蕩時，增大微分時間常數Td。

（4）一般步驟：

a.確定比例增益P

確定比例增益P時，首先去掉PID的積分項和微分項，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數設定說明），使PID為純比例調節。輸入設定為系統允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統出現振蕩；再反過來，從此時的比例增益P逐漸減小，直至系統振蕩消失，記錄此時的比例增益P，設定PID的比例增益P為當前值的60%~70%。比例增益P調試完成。

b.確定積分時間常數Ti

比例增益P確定后，設定一個較大的積分時間常數Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統出現振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統振蕩消失。記錄此時的??? Ti，設定PID的積分時間常數Ti為當前值的150%~180%。積分時間常數Ti調試完成。

c.確定積分時間常數Td

積分時間常數Td一般不用設定，為0即可。若要設定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時的30%。

d.系統空載、帶載聯調，再對PID參數進行微調，直至滿足要求。

（5）最終調試好的標準應該是，PID輸出曲線在有一個階躍響應來是，響應一大一小兩個波，小波是大波的四分之一。

四軸飛行器的PID整定，我們首先四軸固定在單軸平衡平臺上，讓飛行器完成單軸平衡，主要觀察姿態角的（1）穩定性，能否平衡在期望角度；（2）響應性，當操縱命令改變時，四軸能否即時的響應期望的變化；（3）操縱性，由操縱員感受四軸的姿態是否已與操縱，會不會產生響應過沖。

在參數調整時，先調P,將I,D給0，先給一個小值P1，如果飛行器不能穩定在一個角度，則P1給小了，下一次給一個較大值P2，如果飛行器產生震蕩則證明P2給大了，那么合適的P在P1-P2之間，反復試驗幾次可找到P震蕩的臨界點P0,然后保持P0不變按照調P的方法來調D,D是用來消除誤差的，當抖動差不多被消除時，此時我們有較合適的P0,D0，在這兩個值附近再試幾組參數，觀察效果得到最優參數。調好P,D后此時四軸的穩定狀態與期望狀態間也學會有靜差，接下來加入I，參數有小到大，當靜差差不多被消除時，我們再對P,I,D三組參數在小范圍內聯調。最后確定恰當的積分限幅值，完成整個PID參數的整定。