一种多旋翼飞行器的系统设置

闫飞云 高玮 程一鑫 山西省朔州市朔城区长宁街中北大学

关键字：PID 姿态运行

引言：该四旋翼飞行器的基本部分主要由主控芯片，飞控板，跟踪模块，超声波模块，电机ESC模块组成。工作原理如下：由 PIX飞控板获得当前的姿态数据（飞控内置的陀螺仪，加速度计自动进行校准），交由主控核心 TI TM4 C123进行处理并传递信号；随后采用级联PID控制算法对数据进行处理，经PID解决后输出相应的电机PWM增减，为了驱动电机，改变其输出以调整电机速度以调整飞行姿态；

在初期阶段，整个系统的设计包括飞行控制部分和遥控部分。用于距离测量的超声波传感器和PID算法实现稳定和高飞行循迹模块使用 OV7620摄像头对黑线位置进行采样，采样后进行图像处理功能，把经过处理后的数据传输给控制芯片，从而控制飞机保持直接飞行在目标黑线上方完成跟踪任务；与每个模块配合使用，四旋翼飞行器可执行各种任务，如悬停和跟踪。

1 系统方案设计系统方案设计

1.1 飞控板的选择

PIX飞行控制系统是国外的开源飞行控制系统。内部集成了飞行控制的各种传感器模块，可以支持固定翼，直升机，多轴飞机，并且提供开源代码支持将个人的多轴飞行器与先进的自动飞行技术结合起来，飞行稳定且容易控制。属于促进四旋翼稳定飞行的服务器。

1.2 电机的选择

该无刷电机具有抗干扰能力强，噪音低，运行平稳，使用时间长等优点。而且无刷电机相对同类电机而言转速快且平稳，这些优点对于多旋翼模型运行稳定是一个巨大的支持。与有刷电机相比，虽然具有启动快，制动快，调速范围宽，控制电路比较简单等特点，但其缺点也很明显：摩擦大，损耗大，发热量大，寿命短，效率低，输出功率低。它不适用于使用多旋翼飞机。

1.3 循迹模块

采用图像处理法，红外线探测易收到周围环境的影响，数据处理很不准确。OV7620摄像头采集到的图像更加准确直观。通过算法确定黑线中心位置并调节飞行器使其飞在黑线正上方。另外，OV7620也可以通过IIC总线进行设置，并具有图像窗口输出功能。只保留用户所需的图像部分，这大大减少了控制芯片所需的工作量并减少了占用的存储空间。提高了系统的效率。

1.4 飞行器系统框架如图

1.5 PID算法

PID调试就是合理的运用 PID的三个参数，从系统的稳定性，影响速度，在所有方面考虑响应速度，数据处理量和稳定性准确度，以使系统达到最佳状态。

在控制过程中，P字符串ID控制器是一个自动控制器，用于控制偏差（P），积分（I）和导数（D）的比率。原理简单易懂，适用范围广泛，控制参数独立，参数类型少，功能强大。PID过程通过误差信号控制受控变量，控制器本身是比例，积分和微分三部分的总和。

PID的控制规律为如下算法 ：

2 方案优劣

能够实时的采集飞行器当前的姿态信息并融合解算出当前的欧拉角。采用先进的串级PID控制方法同时结合超声波以及摄像头模块反馈回来的信息对当前姿态角进行控制，从而完成俯仰，横滚、偏航等各种动作。系统整体结构简单，飞行相对稳定，可扩展能力强。

但不足之处在于续航时间较短，对电量的依赖性较大，同时循迹算法还有待于进一步优化，在受到外界较大的干扰时，不好保证飞行的稳定。