近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。
PID控制算法原理如图2所示。
图2 PID计算方式
经过测算和推导，我们得出了PID的计算公式为:
进入PID调节子程序时，首先需要根据系统给定值和采样值计算偏差。另外，在系统进入稳态后，偏差是很小的。当控制过程进入这种状态后，就进入了系统设定的一个允许带里。本设计中的算法设计与流程图如图3所示。
图3 PID调节子程序流程图
3控制系统硬件与软件设计
系统硬件电路设计
系统总体框图
系统总体框图如图4所示。
图4 系统总体框图
飞行控制电路原理图
飞行控制模块是控制系统的核心部分。它在每个控制周期内实时处理传感器采集的数据和飞行器的姿态信息，完成PID控制的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的控制信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞行器稳定飞行。电路图如图5所示。
图5 飞控系统电路
电机驱动模块子系统
四电机驱动模块根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给飞行姿态控制模块，控制无刷直流电机闭环控制转速，从而控制飞行状态，达到预期位置和姿态。通过电子调速器给电机提供电流，使之改变电机的转速快慢。本系统中设计的电机驱动电路如图6所示。
图6电机驱动电路原理图
电源
电源由一块 2200ma的锂电池（重量约为166克）供电，在由电调降压给系统中的各个模块供5v电压并给电机提供电流，这样可满足可满足各个小系统的电源要求。
简易电子示高模块电路原理图
简易电子示高装置是根据光敏二极管对激光束光强的持续接收，可以控制光敏二极管模块输出低电平，一旦激光束对光敏二极管照射的中断，即可使光敏二极管部分电路呈现高电平。进而触发光电门，促使发光二极管和蜂鸣器工作，起到报警作用。基本框图如图7所示。
图7 报警触发模块基本框图
系统软件设计
程序功能描述与设计思路
根据题目要求软件部分主要实现传感检测和PWM输出的更改。 （1）传感检测功能：设置高度和角度的输出信号类型。
（2）PWM输出：根据检测的数据，通过PID算法更改PWM的输出。 程序流程图
本系统以瑞萨MCU为核心，采用C语言对单片机进行编程。主程序主要起导向和决策的作用，系统的控制总流程图如图所示。系统包括延时子程序，电机转速控制子程序，检测子程序，副翼子程序。系统控制的总流程图如图8所示。部分程序清单见附录2。
图8 主流程图
4测试条件与测试结果
测试条件与仪器
测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。
测试仪器：高精度的数字毫伏表，数字示波器，数字万用表。
测试结果及分析
测试结果(数据)
2015年全国大学生电子设计大赛四旋翼飞行器论文
