基于超声波技术的四旋翼无人机定高控制系统的研究

本文主要研究基于超声波技术的四旋翼无人机定高控制系统，本文首先对四旋翼无人机的控制系统进行建模，得到控制系统的原理框图，需要对控制系统的俯仰通道，滚转通道，以及高度通道进行参数调节，本文主要针对高度控制系统进行研究，通过MATLAB仿真实验，调节控制器的PID参数，通过迭代的试凑法，分析系统的得到的响应时间、超调量、上升时间等性能指标，得到最优控制系统的参数，最终得到期望的高度PID控制器。

【关键词】超声波 PID 控制系统 性能指标

1 PID控制器简介

近些年来，无人机在人们的生活中扮演着越来越重要的角色。无人机要实现自动控制、自主飞行任务的关键在于无人机飞行控制系统，其不仅包括传感器控制器等的硬件平台，而且还包括内部所采用的控制算法，其中控制算法是整个无人机控制的核心，在飞行控制系统中占据主导地位。

四旋翼飞行器是一个欠驱动系统，可以通过四个电机的转速来实现对四旋翼飞行姿态的控制。欠驱动系统为一类很复杂的非线性系统，对于这种系统的控制有一定难度。对于欠驱动、非线性的系统的研究方法有很多，这些控制方法分为PID控制、反步控制、滑模控制以及一些智能控制方法。本文对四旋翼飞行器采用的控制方法是双环PID控制，这种控制既具备经典PID控制结构简单，又考虑了系统遇到外部干扰时候的情况。

PID控制器的原理很简单，就是将系统的实际输出量与目标输入量做差得到误差，之后系统对误差信号做比例，积分和微分运算并对这三部分的信号量求和作为系统的控制信号。常规的PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）、微分单元（D）构成。

2 超声波传感器在无人机中的应用

超声波测距是最简单的感知系统，例如生活中常见的汽车倒车雷达，在Parrot等无人机上被人熟知。其基本原理是测量超声波的飞行时间，通过公式d=vt/2测量相关距离。具体是通过压电或静电变送器产生一个频率在几十kHz的超声波脉冲组成波包，系统检测高于某阈值的反向声波，检测到后使用测量到的飞行时间计算出距离。由于超声传感器的成本低、实现方法简单、精度高、技术成熟，在无人机定高控制系统中有很好的应用。

3 高度控制器模型建立

在四旋翼飞行器闭环控制系统中，创建串联的速度/位置反馈控制系统，在这个模型中，会考虑俯仰通道，滚转通道，以及高度控制。为了做控制器的设计，我们还需要使用估计出来的线性模型模型调节PID。在这里，我们只考虑四旋翼飞行器的高度控制。四旋翼飞行器的高度控制我们采用PI控制器，四旋翼飞行器物理模型建好后，通过Matlab软件中的SimMechanics仿真部分对四旋翼飞行器控制系统的高度控制进行仿真。

利用MATLAB软件对系统进行仿真建模如图1。

首先设定kp=ki=1，采样时间sample time 0.01s，给一个阶跃信做系统辨识，在t=6s的时候，输入一个阶跃信号，这个阶跃信号的偏移量为1，6s时阶跃信号的高度A为0.5，从辨识对象的输出与我们对被控对象的了解，可以看出被控对象为一个二阶系统，且带一个零点。

可以得到被控对象的辨识，被控对象的输入信号，需要不断的迭代试凑法，对系统进行优化后得到系统最优参数为K=8.533，tw=3.36，tz=0.9613，§=0.9。得到Simulation dada inspector曲线如图2。

绿色曲线是我们期望的信号，结合仿真曲线图各个曲线的性能指标，我们可以看出浅绿色线的响应时间与上升时间最短，但是它有很大的震荡性，超调与鲁棒性都最差，而黄色曲线虽然响应时间和上升时间比较慢，但是超调量与鲁棒性最好，因此，我们选用黄色曲线为我们的最优参数曲线，即选取kp=3.137，ki=2.331。

4 结论

本文介绍了用超声波模块帮助四旋翼飞行器实现定高的功能，首先对系统的结构进行分析，对定高控制器进行建模，之后用MATLAB中的simulink进行仿真，对PID进行参数调节，通过大量的仿真实验以及得到的波形曲线，分析其性能指标，得到我们最满意的一组，即符合我们要求的响应曲线。

作者单位

长春理工大学 吉林省长春市 130022