PID制御によるドローンの飛行高度制御の検討

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September 11, 22

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■ドローンやロボットを自作することを通じて制御や関連技術の生涯勉強情報を提供■工学博士■防大航空宇宙→筑波大博士■陸自→対戦車誘導弾等の装備品開発→高専教員■ロボットランサー優勝→マイクロマウスニューテクノロジー賞受賞■指導者としてつくばチャレンジバンナム賞→飛行ロボコンマルチコプタ部門1位等々■北海道函館出身

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各ページのテキスト
1.

PID制御による ドローンの飛行高度制御 についての検討 1

2.
[beta]
𝑑𝜔
𝐾"
𝐾
"
𝐽
+ 𝐷+
𝜔 + 𝐶! 𝜔 = 𝑢
𝑑𝑡
𝑅
𝑅

𝑧

推⼒
One Rotor Model

𝜔:プロペラ⾓速度
𝐽:プロペラ+モータ慣性モーメント
𝐶! :トルク係数
𝐶# :推⼒係数
𝑢:⼊⼒電圧
𝑀:ドローンの質量
モータの運動⽅程式

𝑑𝜔
𝑢 − 𝐾𝜔
"
𝐽
+ 𝐷𝜔 + 𝐶! 𝜔 = 𝐾
𝑑𝑡
𝑅

𝑇 = 𝐶# 𝜔"

ドローンの運動

𝑀𝑤̇ = 𝑇 − 𝑀𝑔
𝑧̇ = 𝑤 (⾼度)

(速度)

𝑧!"# :⾼度⽬標
𝑧̃$ :センサ値
デジタル制御器
ℎ:制御周期
𝑒% = 𝑧&'( − 𝑧̃% (誤差)
𝜏:フィルタ時定数
𝑘% :⽐例ゲイン
𝑒% − 𝑒%."
T& :積分時間
(数値微分)
𝑒̇% =
2ℎ
T' :微分時間

̅
𝜏𝑒̇%./
+ ℎ𝑒̇%
̅𝑒̇% =
(微分値フィルタ)
𝜏+ℎ
%
1
𝑢% = 𝑘) 𝑒% +
8 𝑒* + 𝑇- 𝑒̇%̅
ℎ𝑇*
*+,

(PID制御器)
2

3.

⾼さ情報のみのフィードバックによるPID制御の結果 ⼊⼒電圧 ドローン速度 ドローン⾼度 ⾼さ情報のみのフィードバックでの⾶⾏⾼度の 制御は⼤変難しい 試⾏錯誤で適切なゲインを⾒つけることはかな りの試⾏回数を取る必要があり,実機でのテス トはクラッシュなどの危険を考慮するとかなり 慎重にならざるを得ないため,良好なゲインを ⾒つけることは難しいと考えられる ⾼度⽬標値 0.5m 3

4.

⾼さ情報のみのフィードバックによるPID制御の結果 トリム値が+5%ずれた場合 ⾼度制御において,推⼒とドローンの重量が釣り合うト リム値を⾒つけることが重要になってくる。 トリム値が+5%ずれた場合に、先ほどと同じゲインで制 御を⾏うとどうなるかが,左図である。 ドローンは⼤きく⽬標値より⾼い⾼度に上昇してから, 徐々に⽬標値に近づこうとする。 4

5.

⾼さ情報のみのフィードバックによるPID制御の結果 トリム値が5%ずれた場合 トリム値がー5%ずれた場合に、先ほどと同じゲインで制 御を⾏うとどうなるかが,左図である。 この計算では、⾼度がマイナスとなり、地⾯に接触して しまう。 このため、当初、トリム値を計算で求めた理想の値に設 定したが、実機では真のトリム値を簡単には得られない と考えられるためずれが⽣じる。 積分時間を⼩さくして取りこれに対処してみる。(これ は積分の効果が⼤きくなる調整) 5

6.

⾼さ情報のみのフィードバックによるPID制御の結果 トリム値は+5%、積分時間を⼩さくした場合 ⾼さ情報のみのフィードバックによるPID制御の結果 トリム値はー5%、積分時間を⼩さくした場合 積分制御の効果で、トリム値の推定誤差に対して、対処できていると考える。 今回の検討では、これ以上に改善されるゲインの組み合わせは⾒つけられなかった。 6

7.

なお、何らかの⼿段で速度のフィードバックをインナー ループに組み込めた場合,良好な制御性能を得ることが 可能である ー PID ー PID ドローン 速度 ∫ トリム値の設定 に+5%のずれが ある場合 ⾼度 速度制御をインナーループに持った⾼度制御システム トリム値が正確 にわかる場合 トリム値の設定 にー5%のずれが ある場合 7