通過前面一章的介紹我們已經(jīng)的達(dá)到了俯仰，橫滾，航向三個(gè)控制量，然后將它們分別輸入三個(gè)獨(dú)立的如上圖所示的PID控制器，我們可以得到三個(gè)PID輸出：pid_roll，pid_pitch，pid_yaw將這三個(gè)輸出量做簡單的線性運(yùn)算輸出給電機(jī)。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(jī)

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

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

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

4.3. PID參數(shù)調(diào)節(jié)

PID參數(shù)的整定是PID控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響到控制的效果。故一個(gè)PID設(shè)計(jì)的好不好往往要看其參數(shù)能否調(diào)節(jié)好，本設(shè)計(jì)的PID參數(shù)調(diào)節(jié)采用湊試法。湊試法是通過實(shí)際的閉環(huán)系統(tǒng)，通過觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，在本設(shè)計(jì)中通過觀察被調(diào)量，PID輸出，設(shè)定值三條曲線，判斷出kp,ki,kd對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，反復(fù)嘗試，最終達(dá)到滿意響應(yīng)，從而達(dá)到確定控制參數(shù)的kp,ki,kd的目的。在參數(shù)調(diào)節(jié)過程總遵循以下原則[17]:

（1）在輸出不振蕩時(shí)，增大比例增益P。

（2）在輸出不振蕩時(shí)，減小積分時(shí)間常數(shù)Ti。

（3）在輸出不振蕩時(shí)，增大微分時(shí)間常數(shù)Td。

（4）一般步驟：

a.確定比例增益P

確定比例增益P時(shí)，首先去掉PID的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)，一般是令Ti=0、Td=0（具體見PID的參數(shù)設(shè)定說明），使PID為純比例調(diào)節(jié)。輸入設(shè)定為系統(tǒng)允許的最大值的60%~70%，由0逐漸加大比例增益P，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；再反過來，從此時(shí)的比例增益P逐漸減小，直至系統(tǒng)振蕩消失，記錄此時(shí)的比例增益P，設(shè)定PID的比例增益P為當(dāng)前值的60%~70%。比例增益P調(diào)試完成。

b.確定積分時(shí)間常數(shù)Ti

比例增益P確定后，設(shè)定一個(gè)較大的積分時(shí)間常數(shù)Ti的初值，然后逐漸減小Ti，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，之后在反過來，逐漸加大Ti，直至系統(tǒng)振蕩消失。記錄此時(shí)的??? Ti，設(shè)定PID的積分時(shí)間常數(shù)Ti為當(dāng)前值的150%~180%。積分時(shí)間常數(shù)Ti調(diào)試完成。

c.確定積分時(shí)間常數(shù)Td

積分時(shí)間常數(shù)Td一般不用設(shè)定，為0即可。若要設(shè)定，與確定 P和Ti的方法相同，取不振蕩時(shí)的30%。

d.系統(tǒng)空載、帶載聯(lián)調(diào)，再對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。

（5）最終調(diào)試好的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是，PID輸出曲線在有一個(gè)階躍響應(yīng)來是，響應(yīng)一大一小兩個(gè)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(tái)上，讓飛行器完成單軸平衡，主要觀察姿態(tài)角的（1）穩(wěn)定性，能否平衡在期望角度；（2）響應(yīng)性，當(dāng)操縱命令改變時(shí)，四軸能否即時(shí)的響應(yīng)期望的變化；（3）操縱性，由操縱員感受四軸的姿態(tài)是否已與操縱，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)過沖。

在參數(shù)調(diào)整時(shí)，先調(diào)P,將I,D給0，先給一個(gè)小值P1，如果飛行器不能穩(wěn)定在一個(gè)角度，則P1給小了，下一次給一個(gè)較大值P2，如果飛行器產(chǎn)生震蕩則證明P2給大了，那么合適的P在P1-P2之間，反復(fù)試驗(yàn)幾次可找到P震蕩的臨界點(diǎn)P0,然后保持P0不變按照調(diào)P的方法來調(diào)D,D是用來消除誤差的，當(dāng)抖動(dòng)差不多被消除時(shí)，此時(shí)我們有較合適的P0,D0，在這兩個(gè)值附近再試幾組參數(shù)，觀察效果得到最優(yōu)參數(shù)。調(diào)好P,D后此時(shí)四軸的穩(wěn)定狀態(tài)與期望狀態(tài)間也學(xué)會(huì)有靜差，接下來加入I，參數(shù)有小到大，當(dāng)靜差差不多被消除時(shí)，我們?cè)賹?duì)P,I,D三組參數(shù)在小范圍內(nèi)聯(lián)調(diào)。最后確定恰當(dāng)?shù)姆e分限幅值，完成整個(gè)PID參數(shù)的整定。

5.系統(tǒng)創(chuàng)新

采用STM32F407這樣一款高性能芯片作為控制核心，計(jì)算快速，擴(kuò)展空間大。

云臺(tái)飛控一體化設(shè)計(jì)，既能完成飛行任務(wù)也能實(shí)現(xiàn)云臺(tái)穩(wěn)定。

姿態(tài)算法采用基于四元數(shù)的互補(bǔ)濾波，姿態(tài)角無奇點(diǎn)，比起卡爾曼李春波等高端算法有著計(jì)算量小的特點(diǎn)且能投入使用，大大節(jié)約了cpu計(jì)算時(shí)間，也降低了對(duì)cpu的性能要求。

利用四軸作為云臺(tái)載體有著靈活機(jī)動(dòng)，可讓攝像頭獲得比較好的視野，且云臺(tái)能消除四軸機(jī)體抖動(dòng)。

方便改裝用于執(zhí)行其他任務(wù)。

6.評(píng)測(cè)與結(jié)論

6.1.四軸飛行器的調(diào)試

6.1.1電源調(diào)試

將電路板焊接完成后，為電路板供電，用萬用表測(cè)得個(gè)供電芯片電壓如下???? ?????? ?????? ?????? ?????? ?????? ??????

表6-1各電源芯片電壓值

?

?

由表中數(shù)據(jù)可知電源管理部分可滿足系統(tǒng)供電要求。

6.1.2 姿態(tài)角調(diào)試