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发表于 2012-11-4 20:31:21
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圆点博士微型四轴飞行器之平衡和姿势控制:
上述各个章节对传感器进行了具体描述,下面谈下如何进行四轴飞行器传的平衡和姿势控制。开始这部分描述前,大家必须不要混淆加速度传感器和角速度传感器。角速度传感器也有人叫角加速度传感器,不过不要小看这个“角”字,一字之差,千里之别。如果你还是无法区分它们,建议在读本节之前,先重新复习下上面各章节。
前面说到,角速度传感器输出的角速度是瞬时的角加速度量,一般的平衡控制系统不能直接使用它。我们需要得到角度的变化量来进行平衡控制,这就需要使用角速度和时间进行积分运算,从而得到角度的变化量。然后这个角度的变化量就能用于平衡控制。所以在实际的四轴飞行系统中,首先要对角速度传感器做 PI运算。PI是比例积分控制,是滞后校正,它是PID(比例/积分/微分)发展起来的一种PID改进算法。P是指比例控制,其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。I是指积分控制,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
PID是一种闭环控制算法,必须在硬件上具有闭环系统,即控制系统和反馈系统。PID(比例/积分/微分)并不是必须同时具备三种算法,可以是PD,PI,甚至P算法控制。单纯的P算法控制是最简单的,以四轴飞行器为例,就是把角加速度数据读回来,是正就电机加速,是负就电机减速,或做相反控制。对于单纯的P(比例)控制,反映系统的当前状态,可以通过加快调节来减小误差,但是使系统稳定性下降,甚至造成系统不稳定。 I(积分)和D(微分)不能单独起作用,必须和P(比例)控制配合使用, I(积分)反映系统的累计偏差,使系统消除稳态误差。D(微分)反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,从而进行超前控制。四轴飞行器只用到PI算法。关于PI算法的更多知识,我们将会在后续的章节中陆续谈到。
理论上,如果我们知道物体的初始姿势,通过角速度传感器的上述积分运算,我们也能得到物体的最终姿势,但是,我们知道积分运算是有误差的,随着时间的流逝,误差越来越大,最终这个计算出来的变化的角度就和实际的角度相差较远。从而导致姿势和我们预想的发生偏差。
加速度传感器是以重力作为参考力方向的,在无外力的情况下,测量出来的是物体的绝对姿势。但是它无法区分重力加速度和外力加速度。因为运动中的四轴飞行器同时受到重力和外力的作用,所以加速度传感器的姿势输出也无法反映飞行器最真实的姿态。
所以在没有其它参照物的基础上,就要充分了解这两种传感器的特性,扬长避短,在短时间内使用角加速度的值,在长时间内使用加速度的值进行校正,从而得到接近真实值的姿势。
所以在一个四轴飞行器系统中,对角速度传感器进行PI运算,四轴飞行器就有了瞬时的增稳,能够进行飞行,由于累积的误差作用,很快中心点就会偏离水平位置,通过使用加速度传感器不断对角速度传感器进行纠正,就能使得四轴飞行器的中心点保持在水平位置,实现平衡飞行。
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