四旋翼PID控制器

Question

背景

我的任务是为室内飞行的微型四旋翼设计和构建一个速度PID控制器。飞行的房间配备有基于摄像机的高精度室内跟踪系统，可以为四旋翼提供速度和位置数据。生成的系统应能够接受每个轴（x、y、z）的目标速度并以该速度驱动四旋翼。

四旋翼的控制输入是横滚/俯仰/偏航角和高度升力百分比。

我的想法是为每个轴实现一个PID控制器，其中SP是该方向上的期望速度，测量值是跟踪系统提供的速度，输出值分别是横滚/俯仰/偏航角和升力百分比。

不幸的是，由于这是我第一次接触控制理论，我不确定自己是否朝着正确的方向前进。

问题

• 我了解基本的PID控制器原理，但还不清楚它如何通过僅將誤差相加並乘以一個常數就能将速度（m/s）轉換為横滚/俯仰/偏航（弧度）？是的，速度和横滚/俯仰成正比，这是否意味着只要乘以正确的常数就能得到正确的结果？

• 对于垂直速度控制器的情况，如果将速度设置为0，则四旋翼实际上应保持其高度而不上升或下降。如何将其与PID控制器集成，以便当误差为0时，推力值不为0（应保持悬停，而不是掉落）？我应该在输出中添加一个常量项吗？

• 一旦系统被实现，调整PID增益参数的好方法是什么？手动试错？

• 系统发展的下一个步骤是另外一层位置PID控制器，它以期望位置（x、y、z）作为设定点，测量位置由室内跟踪系统提供，输出为x/y/z速度。这是一个好方法吗？之所以将这些PID控制层分开是因为该项目是更大框架的一部分，该框架促进重用性。是否最好只使用单层PID控制器，该控制器直接将位置坐标作为设定点，并输出横滚/俯仰/偏航/推力值？

- xabre

Answer 1

我有一篇博客可能会对您感兴趣：http://oskit.se/quadcopter-control-and-how-to-really-implement-it/

基本原理很容易理解，但微调要难得多。我花了最长的时间来弄清楚应该输入到PID控制器中的内容，以及变量上的正负号等小细节。但最终我解决了这些问题。

测试PID控制器的最佳方法是找到一种可以动态设置值的方式，这样就不用每次重新编译固件。我在我的四轴飞行器固件中使用mavlink。借助mavlink，可轻松配置飞行器，只需使用支持mavlink协议的任何地面控制软件即可。

从小做起，先使用现成的控制器建造一个工作的飞行器，然后再编写自己的控制器。然后进行测试、微调和实验。除非尝试亲手构建四轴飞行器，否则永远无法真正理解PID控制器。我的裸机软件开发库可以帮助您更轻松地编写软件，而无需担心硬件驱动程序的实现。链接：https://github.com/mkschreder/martink

- user2826084

Answer 2

• 这是基本的想法。在系统中，你可能会理论上得到几个常量来将一个单位转换为另一个单位。在你的情况下，你的P、I、D常数将隐含包括正确的转换因子。例如，如果在一个理想化的系统中，你想要用P=0.5度来通过反馈控制角度，但你只能访问速度，并且你知道5度的倾斜会给出1 m/s 的速度，那么你将编程P控制器将测量到的速度乘以0.1，结果就是角度的控制输入。
• 我认为最好的方法是不针对高度（h）实现SISO PID控制器，而是针对竖直速度（dh/dt）实现，推力百分比作为输出，但我不确定。
• 不幸的是，如果你没有关于参数的先验知识，那么这将是唯一的方法。我建议选择一个即使四轴飞行器坠毁也不会造成太大损害的环境...
• 听起来是个不错的方法。

- YMW

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经过一番尝试和错误，它终于成功了。演示视频链接 - xabre

Answer 3

如果您正在使用Python编程语言，可以使用ddcontrol框架。您可以通过SISO数据估算传递函数。为此，您可以使用tfest函数。然后，您可以使用pidopt函数优化PID控制器。

- Erkan