【《四旋翼无人机飞控系统的硬件和软件设计案例》10000字（论文）】

[12]。只通过使用单个闭环PID来控制姿态，会出现无人机飞行不平衡或时滞的现象。为了解决这个问题，我决定采用双闭环串级PID控制。角度的PID、角速度的PID控制，因为角度的微分本质上就是角速度，所以角度环的误差就能够理解为角速度。角度环的误差输入角速度环作为角速度环的期望值，角速度环利用陀螺仪观察角速度的变化作为反馈值和期望值得到误差，然后控制角速度尽快达到期望值，并将角速度环的输出值给四路电机控制飞行器姿态，姿态求解算法得到实时姿态作为角环的反馈值。这样，我们将两个PID控制器串联起来。通常，角环称为外环，角速度环称为内环。双闭环串级PID控制框图如下所示：++期望姿态角角度PID控制角速度PID控制四路电机转速飞行器姿态角（IMU）++期望姿态角角度PID控制角速度PID控制四路电机转速飞行器姿态角（IMU）陀螺仪采集角速度陀螺仪采集角速度实际姿态角实际姿态角图2.5双闭环串级PID控制框图双闭环串级PID控制比单闭环PID控制更多的是角速度环路控制，角速度数据由陀螺仪测量，测量值一般不易被干扰，而且角速度变化较快，当遭受外界干扰时的迅速响应增强了整个无人机系统的鲁棒性。这解决了无人机机会失去平衡或跟随滞后的问题。四旋翼无人机姿态PID控制器核心代码段如下： //角度环 PID_Postion_Cal(&PID_ROL_Angle，Target_Angle.rol，Measure_Angle.rol);//ROLL角度环PID（输入角度输出角速度） PID_Postion_Cal(&PID_PIT_Angle，Target_Angle.pit，Measure_Angle.pit);//PITH角度环PID（输入角度输出角速度）// PID_Postion_Cal(&PID_YAW_Angle，Target_Angle.yaw，Measure_Angle.yaw);//YAW角度环PID（输入角度输出角速度） //角速度环 PID_Postion_Cal(&PID_ROL_Rate，PID_ROL_Angle.OutPut，gyr_in->X*RadtoDeg);//ROLL角速度环PID（输入角度环的输出，输出电机控制量） PID_Postion_Cal(&PID_PIT_Rate，PID_PIT_Angle.OutPut，gyr_in->Y*RadtoDeg);//PITH角速度环PID（输入角度环的输出，输出电机控制量） PID_Postion_Cal(&PID_YAW_Rate，Target_Angle.yaw*PID_YAW_Angle.P，gyr_in->Z*RadtoDeg);//YAW角速度环PID（输入角度，输出电机控制量） //动力分配 if(rc_in->THROTTLE>180&&armed)//当油门大于150时和飞机解锁时动力分配才生效 { Moto_PWM_1=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_2=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_3=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_4=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; } else { Moto_PWM_1=0; Moto_PWM_2=0; Moto_PWM_3=0; Moto_PWM_4=0; }Moto_Pwm(Moto_PWM_1，Moto_PWM_2，Moto_PWM_3，Moto_PWM_4);//将此数值分配到定时器，输出对应占空比的PWM波}四路电机动力分配：PID控制器计算得出的数据需要给到四轴控制系统中的电机，所以需要将三个姿态角的控制输出分配给四个电机以控制无人机飞行动作姿态。动力分配代码如下： //动力分配 if(rc_in->THROTTLE>180&&armed)//当油门大于150时和飞机解锁时动力分配才生效 { Moto_PWM_1=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_2=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut-PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_3=rc_in->THROTTLE-PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut-PID_YAW_Rate.OutPut; Moto_PWM_4=rc_in->THROTTLE+PID_ROL_Rate.OutPut+PID_PIT_Rate.OutPut+PID_YAW_Rate.OutPut; } else { Moto_PWM_1=0; Moto_PWM_2=0; Moto_PWM_3=0; Moto_PWM_4=0; }Moto_Pwm(Moto_PWM_1，Moto_PWM_2，Moto_PWM_3，Moto_PWM_4);//将此数值分配到定时器，输出对应占空比的PWM波}2.6串级PID参数整定在完成PID控制器原理分析和C语言代码实现之后，可以发现PID代码编写并不困难，而且PID参数整定的难度要大于它，PID参数整定将直接影响无人机的性能。由于本文采用串级PID算法，PID参数整定需要角速度环参数和角速度环参数的整定。有六组参数需要调整。PID参数整定应遵循“先内后外，逐个整定”的原则。在姿态控制中，内环是速度环，也是稳定环。内环参数的优劣将直接影响无人机的整体控制效果。因此，在调整参数时，首先要调