PID制御によるドローンの飛行高度制御の検討

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

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

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

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

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

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

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