物流無人機PID控制研究

陳鵬　李子卓　李陳龍　宋昊銘　吳心雨　遲英姿

摘 要：當(dāng)今物流行業(yè)發(fā)展迅速，無人機技術(shù)日趨成熟。文章對網(wǎng)聯(lián)化、智能化新型物流配送方式展開探究，研究了無人機的PID調(diào)試方案，分析了無人機不同起飛重量下的飛行姿態(tài)，優(yōu)化特種無人機的姿態(tài)控制及其產(chǎn)品的實用性。

關(guān)鍵詞：PID;無人機;物流;改裝

1 物流無人機的發(fā)展現(xiàn)狀

無人機技術(shù)日趨成熟，無人機的應(yīng)用逐漸廣泛，物流行業(yè)快速發(fā)展過程中，無人機的優(yōu)勢也逐漸顯現(xiàn)出來。

本項目應(yīng)用于物流需求，為確保能夠快速準(zhǔn)確地將貨物送達(dá)目標(biāo)位置。對配送流程進(jìn)行優(yōu)化[1]，縮短貨物送達(dá)時間。相對于地面物流系統(tǒng)，在配送時間、環(huán)節(jié)、人力成本等方面得到明顯優(yōu)化，從而提高總體配送效率。兩者配送流程對比如圖1所示。

2 無人機硬件參數(shù)

無人機采用六旋翼無人機[2]，軸距850 mm，電機采用? ? ? ?3 510 360 kv，旋翼尺寸1 555 mm，電池選用6 s 16 000 mAh，空重3.36 kg，最大載重4.2 kg，物流箱容量29 L。

3 物流無人機的PID控制

3.1 物流無人機的PID調(diào)試方案與分析

多旋翼無人機PID 是控制無人機飛行姿態(tài)的重要參數(shù)，其作用是消除飛行器輸出值在理論值與實際值之間的誤差值。本文使用MP地面站對六軸無人機進(jìn)行可視化PID調(diào)整。

PIXHAWK飛控采用串級PID的方式[3]，外環(huán)PID控制角度，內(nèi)環(huán)PID控制角速度。內(nèi)環(huán)PID更直接作用于電機，所以在多旋翼無人機姿態(tài)調(diào)試中，一般只調(diào)試內(nèi)環(huán)PID。

P比例可以理解為修正力度，P值越大則修正力度越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，P值過大也會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩失調(diào)。D微分的作用可以理解為剎車，在系統(tǒng)即將恢復(fù)至目標(biāo)值時降低修正力度，以減少系統(tǒng)修正次數(shù)，使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定。I積分的作用是消除靜態(tài)誤差，以使系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時不振蕩。

通過對無人機ATT數(shù)據(jù)分析，得到無人機Pitch軸在PID調(diào)試前的姿態(tài)變化，如圖2所示。由圖2可知，PID調(diào)整前，Pitch軸的實際值與期望值誤差較大，無人機飛行姿態(tài)不穩(wěn)定。

為了達(dá)到無人機穩(wěn)定飛行的目的，PID的整定過程通常需要經(jīng)過多次調(diào)試。本文六軸無人機的PID具體整定方案為：

（1）將P比例、I積分、D微分降低至最小值，逐步增加P值，每次增加0.002，直至系統(tǒng)出現(xiàn)不衰減振蕩，降低P值0.002，直至系統(tǒng)出現(xiàn)衰減振蕩。

（2）保持P值不變，逐步增加D值，每次增加0.001，可觀察到系統(tǒng)的衰減振蕩次數(shù)逐步減少，直至系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，降低D值0.001，直至系統(tǒng)不振蕩。

（3）保持P比例、D微分不變，逐步增加I值，每次增加0.002，直至系統(tǒng)與期望值靜態(tài)誤差降至最低。

（4）根據(jù)無人機飛行姿態(tài)，對P值、I值、D值進(jìn)行微調(diào)，直至系統(tǒng)穩(wěn)定，無人機飛行姿態(tài)良好，完成PID整定（見圖3）。

3.2? 不同起飛重量下姿態(tài)對比

因物流無人機載重變化，在不同起飛重量下，PID有差異，需整定PID適應(yīng)不同起飛重量，對比不同起飛重量PID在不同載重時飛行姿態(tài)的差異，可參考 PID曲線分布等級表（見表1）。

由表2分析得，4 kg PID在無人機空載時處于超調(diào)狀態(tài)，飛行狀態(tài)極不穩(wěn)定。對各組PID在不同載重情況下的數(shù)據(jù)對比，2 kg PID在各載重下飛行狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

本項目主要提出了一套關(guān)于六旋翼物流無人機PID的調(diào)試方案，并對不同載重情況下的PID數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。該項目有助于優(yōu)化特種無人機的姿態(tài)控制及其產(chǎn)品的實用性。具體結(jié)論如下：

（1）闡述了P比例、I積分、D微分在無人機姿態(tài)控制中的具體作用，并且針對其特性，提出了一套切實可行的調(diào)整方案。

（2）對于物流無人機的不同起飛重量，進(jìn)行了多組PID在不同起飛重量下的數(shù)據(jù)對比，并得出了一套相對穩(wěn)定的PID數(shù)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉正元，王清華.無人機在應(yīng)急物流配送中的任務(wù)分配模型構(gòu)建[J].科技管理研究，2020（24）：229-236.

[2]胡瑞，許春霞，熊樂，等.三軸矢量無人飛行器的創(chuàng)新設(shè)計與研究[J].機械設(shè)計與研究，2020（5）：54-59.

[3]趙潔，陳至坤，張瑞成.基于串級PID的多旋翼精確定點懸停控制研究[J].電光與控制，2021（5）：1-6.

（編輯 姚 鑫）

Research on PID control of logistics UAV

Chen Peng， Li Zizhuo， Li Chenlong， Song Haoming， Wu Xinyu， Chi Yingzi

（Institute of Automotive Engineering， Pujiang College of Nanjing University of Technology， Nanjing 211100， China）

Abstract：Nowadays， with the rapid development of logistics industry， UAV technology is becoming more and more mature. This paper explores the networked and intelligent new logistics distribution mode， studies the PID debugging scheme of UAV， analyzes the flight attitude of UAV under different takeoff weight， and optimizes the attitude control of special UAV and the practicability of its products.

Key words：PID; drone; logistics; modification