一种多旋翼无人机系统中PID平衡调试装置的制作方法

本实用新型属于无人机技术领域，具体涉及一种多旋翼无人机系统中PID平衡调试装置。

背景技术：

随着生活水平以及科技的提高，无人机开始兴起，无人机是指无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，广泛用于空中侦察、监视、通信、反潜、电子干扰等。多旋翼无人机，是一种具有多个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机。其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力，通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹，其操控性强，可垂直起降和悬停，主要适用于低空、低速、有垂直起降和悬停要求的任务类型。

在设计旋翼式无人机时，最重要的是系统的稳定性，由于螺旋桨产生的升力控制着无人机的飞行状态，通过各个电机相互配合达到无人机升降、转向的功能，所以电机转速必须有自动调节的功能，即抗干扰能力，当有外界因素打破无人机的应有状态时，使之能够自行调节至稳态，以此应对刮风或碰撞等特殊情况。PID控制作为在工程控制中常用的待反馈算法，其各项参数需要有丰富经验的工程师才能较快、较准确地赋值，使系统能够在受干扰时迅速回归较为理想的稳定状态，大部分初学者或缺少经验的工程师对于PID参数的调试没有一定的概念，想设计一个稳定系统较为困难。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型公开了一种多旋翼无人机系统中PID平衡调试装置，结构简单，使用方便，能够快速监测到期望值与实际值的误差值，并使用误差值来调整电机的转速，保持模拟飞行稳定性。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种多旋翼无人机系统中PID平衡调试装置，其特征在于：所述调试装置包括支撑架、平衡杆、角度传感器、电机、螺旋桨、PID控制器与单片机，所述支撑架垂直设置在平衡杆中部下方，所述支撑架与平衡杆活动连接，所述电机和螺旋桨为两组，对称设置在平衡杆两端，所述平衡杆与其中一个电机之间设有至少一个凹槽，所述角度传感器设置在平衡杆与另一个电机之间，所述角度传感器、电机与单片机连接，所述角度传感器与单片机之间连接数码显示仪，电机与单片机之间连接电子调速器，所述PID控制器设置在单片机内，PID控制算法通过单片机实现。

电调（电子调速器）依据单片机发送的PWM信号来控制使电机转动的电流大小，增大PWM信号的占空比即可增大电调输出的电流，从而提高电机转速，增大升力；反之，减小PWM信号的占空比即可减小电调输出的电流，从而减小电机转速，减小升力。PID控制器在装置中起自动调节的作用，通过计算期望值与误差值之间的偏差值，经过PID算法后将结果传送给电调，PID控制器是实时计算的，只要存在偏差值就会发生计算，因此在装置运行的任意时刻PID控制器都在调试修改，所以可以达到自动调节的效果，算法中的参数Kp、Ki、Kd可在系统运行的任意时刻更改调试。

作为本实用新型的一种改进，所述支撑架与平衡杆通过螺栓活动连接。

作为本实用新型的一种改进，所述凹槽数量为3个。

作为本实用新型的一种改进，所述凹槽的截面为方形。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述的一种多旋翼无人机系统中PID平衡调试装置，结构简单，使用方便，凹槽内增加重物打破平衡状态，角度传感器测出倾斜角度，并使用此角度结合PID算法来控制电机的转速；始终保持平衡状态，调整过程快速有效，为多旋翼无人机系统提供一个PID参数调试与整定的平台，熟悉和掌握PID算法，为无人机品质提升提供理论依据。

附图说明

图1为本实用新型的平衡杆调节示意图。

图2为PID控制器的输出量与时间的曲线图。

图3为本实用新型的控制线路连接示意图。

附图标记列表：

1、支撑架，2、平衡杆，3、角度传感器，4、电机，5、螺旋桨，6、单片机，7、凹槽，8、数码显示仪，9、螺栓，10、电子调速器，11、PID控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图所示，本实用新型所述的一种多旋翼无人机系统中PID平衡调试装置，所述调试装置包括支撑架1、平衡杆2、角度传感器3、电机4、螺旋桨5、PID控制器6与STM32单片机6，所述支撑架1垂直设置在平衡杆2中部下方，所述支撑架1与平衡杆2活动连接，所述电机4和螺旋桨5为两组，对称设置在平衡杆2两端，所述平衡杆2与其中一个电机之间设有至少一个凹槽7，所述角度传感器3设置在平衡杆2与另一个电机之间，所述角度传感器芯片3、电机4与单片机6连接，所述角度传感器与单片机之间连接数码显示仪8，电机与单片机之间连接电子调速器10，所述PID控制器11设置在单片机6内。

本实用新型的平衡杆2一端有凹槽7，用来增加重物进行测试（打破平衡状态，模拟干扰），此时平衡杆2出现倾斜，测试倾角的MPU6050陀螺仪角度传感器芯片3置于平衡杆另一端，测出平衡杆的倾斜角度并在数码显示仪8显示，并使用此角度结合PID算法来控制电机的转速；一端电机保持中等固定转速，另一端转速根据实际情况自动调整，若加重物，转速增加，杆子上升，若减重物，转速减小，杆子下降，始终回归平衡状态。

本实用新型所述的控制器6就是PID控制器， PID控制是一种测量、比较和执行的过程，测量关键的是被控变量的实际值，与期望值相比较，用这个偏差来纠正系统的响应，执行调节控制。在过程控制中，按偏差的比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）进行计算控制，分别对应参数Kp、Ki和Kd。

PID的离散化算法公式为（u(k)为输出，e(k)为误差）：

△u(k)= u(k)- u(k-1)

△u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

由PID公式可知调试过程中主要需计算出设定值与测量值间的误差值并不断地对Kp、Ki和Kd三个参数进行整定，以达到理想的自动控制效果，本实用新型里当陀螺仪传感器芯片测出倾斜角度传入控制器，加上PID算法，则实现了电机的自动控制。

本实用新型所述凹槽7数量为1-4个，可以根据实际情况在凹槽内适当增加重物，所述凹槽7的截面为方形，便于卡住重物，不会滑落。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。