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2018年湖南省大学生电子设计竞赛设计—— # **升降式双旋翼飞行器** ## 1、赛题简介 ### 1.1、赛题任务 设计并制作一个沿竖杆升降的双旋翼飞行器及其控制系统。竖杆采用φ 12mm的圆钢，外套φ 17mm不锈钢管，长(1.4~1.7)m, 下端固定在底座上，杆上分别标有明显的A、B、C、D点标记，其中: A点距底面30cm, B点距底面70cm, C点距底面100cm，D点距底面130cm，且CD段有cm间隔的标记，如图1所示。双旋翼飞行器由根横板 和安装在横板两端的直流电机、螺旋浆组成，横板长度为50cm，中心最宽处宽度为10cm，两直流电机轴间距离为40cm,且横板中部有一个圆孔( φ20)。竖杆穿过横板中部的圆孔，能使横板沿竖杆自由地上下移动，如图2所示。控制系统通过控制两个螺旋浆的转速实现双旋翼飞行器起飞、降落以及飞行过程中的高度控制。在飞行器上有两个LED灯指示飞行器的状态。其中白色发光二极管为1#指示灯，红色发光二极管为2#指示灯。横板上离中心5cm处需要安装- - 个悬挂法码的小钩。  ### 1.2、基本要求 当飞行器静止地停在底面时，键启动控制系统， 分别完成以下飞行过程: (1)在15秒内，飞行器由地面上升且高度超过A点3秒以上，再平稳地降落回地面: (2)在 20秒内，飞行器由地面上升并悬停在CD段维持3秒以上，再平稳地降落回地面: (3) 在30秒内，飞行器由地面上升并悬停在AB段维持3秒，再上升并悬停在CD段维持3秒，再平稳地降落回地面:在此过程中，飞行器悬停在AB段时亮1“灯，在CD段悬停时亮2*灯，其它不亮灯。 (4) 在30秒内，飞行器由地面上升并悬停在CD段内的指定高度(X)5秒以上，且高度误差不超过Scm (以上下波动中心为准)、上下波动范围不超过5cm, 达到要求时同时亮1"、2*灯; (5) 将控制系统、电池等全部安装在横板上，完成基本部分所有要求，且飞行器不出现螺旋状态。 ### 1.3、发挥部分 控制系统、电池等全部安装在横板上的条件下: (1) 飞行器由地面上升并悬停在CD段内的指定高度(X) 5秒以上时，人为将飞行器拉到BC段，飞行器能够自动返回原先的高度; (2)在基本部分(4) 的基础上，进一步提高控制精度， 实现飞行器高度误差不超过3cm、上下波动范围不超过3cm,误差及波动范围越小越好; (3)在完成发挥部分(2) 的基础上，实现飞行器高度的增量控制，即:通过按步进值键X)，使飞行器上升Xcm、 或按另一个键使飞行器下降Xcm, 误差、波动范围要求同发挥部分(2) (4)在飞行器中间小钩上加挂10克以上重物，完成发挥部分(3) (5)自由发挥(仅限于更复杂的飞行路径和提高定位精度) ## 2、原理论证 > PID 控制器以各种形式使用超过了 1 世纪，广泛应用在机械设备、气动设备 和电子设备.在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一，是当之无愧的万能算法。 PID 实指“比例 proportional”、“积分 integral”、“微分 derivative”，这三项构 成 PID 基本要素。每一项完成不同任务，对系统功能产生不同的影响。它的结构简单，参数易 于调整，是控制系统中经常采用的控制算法。 **PID：比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成**  PID控制公式：  其中：**u(t)**为控制器输出的控制量；（输出） **e(t)**为偏差信号，它等于给定量与输出量之差；（输入） **KP** 为比例系数；（对应参数 P） **TI** 为积分时间常数；（对应参数I） **TD** 为微分时间常数。(对应参数 D) 数字 PID 控制算法通常分为位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 **位置式 PID 算法 :**  e(k): 用户设定的值（目标值） - 控制对象的当前的状态值 比例P : e(k) 积分I : ∑e(i) 误差的累加 微分D : e(k) - e(k-1) 这次误差-上次误差 也就是位置式PID是当前系统的实际位置，与你想要达到的预期位置的偏差，进行PID控制 因为有误差积分 ∑e(i)，一直累加，也就是当前的输出u(k)与过去的所有状态都有关系，用到了误差的累加值；（误差e会有误差累加），输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，，一旦控制输出出错(控制对象的当前的状态值出现问题 )，u(k)的大幅变化会引起系统的大幅变化 并且位置式PID在积分项达到饱和时,误差仍然会在积分作用下继续累积，一旦误差开始反向变化，系统需要一定时间从饱和区退出，所以在u(k)达到最大和最小时，要停止积分作用，并且要有积分限幅和输出限幅。 **增量式PID：**  比例P : e(k)-e(k-1) 这次误差-上次误差 积分I : e(i) 误差 微分D : e(k) - 2e(k-1)+e(k-2) 这次误差-2*上次误差+上上次误差 增量式PID根据公式可以很好地看出，一旦确定了 KP、TI 、TD，只要使用前后三次测量值的偏差， 即可由公式求出控制增量 而得出的控制量▲u(k)对应的是近几次位置误差的增量，而不是对应与实际位置的偏差 没有误差累加 也就是说，增量式PID中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果，并且在系统发生问题时，增量式不会严重影响系统的工作 **总结：增量型 PID，是对位置型 PID 取增量，这时控制器输出的是相邻两次采样时刻所计算的位置值** **之差，得到的结果是增量，即在上一次的控制量的基础上需要增加（负值意味减少）控制量。** `***增量式与位置式区别：***` 1增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算误差对控制 量计算的影响较小。而位置式算法要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累加误差。 2增量式算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作 影响小，必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。 而位置式的输出直接对应对象的输出，因此对系统影响较大。 3增量式PID控制输出的是控制量增量，并无积分作用，因此该方法适用于执行机构带积分部件的对象，如步进电机等，而位置式PID适用于执行机构不带积分部件的对象，如电液伺服阀。 4在进行PID控制时，位置式PID需要有积分限幅和输出限幅，而增量式PID只需输出限幅 位置式PID优缺点： 优点： ①位置式PID是一种非递推式算法，可直接控制执行机构（如平衡小车），u(k)的值和执行机构的实际位置（如小车当前角度）是一一对应的，因此在执行机构不带积分部件的对象中可以很好应用 缺点： ①每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，运算工作量大。 增量式PID优缺点： 优点： ①误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉出错数据。 ②手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。当计算机故障时，仍能保持原值。 ③算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关。 缺点： ①积分截断效应大，有稳态误差； ②溢出的影响大。有的被控对象用增量式则不太好； PID算法C语言实现 首先，定�