Тема "Применение метода Циглера-Никольса для настройки коэффициентов ПИД-регулятора квадрокоптера"
Исполнитель - Степанов Иван Игоревич, гр. 241-об
Научный руководитель - Русинов Владислав Леонидович, СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация"
План:
1- Использование видеоизображения для измерения периода колебаний.
Данная статья посвящена исследованию метода Циглера-Никольса для настройки коэффициентов ПИД-регулятора квадрокоптера.
Метод Циглера-Никольса применяют для настройки ПИД-регулятора квадрокоптера для решения проблемы нестабильности. Она вызвана узкой областью определения углов ориентации квадрокоптерных вертолётов.
1. Использование видеоизображения для измерения периода колебаний:
Этот раздел фокусируется на практической реализации первого шага метода Циглера-Никольса - определении параметров колебательной системы путем наблюдения за откликом системы на изменение управляющего воздействия (например, внезапный импульс). Вместо традиционных датчиков, используется видеоизображение для измерения параметров колебаний квадрокоптера.
1.1. Оборудование и программное обеспечение:
Камера: Высокоскоростная камера (желательно) или обычная веб-камера с достаточным разрешением для точного отслеживания квадрокоптера. Разрешение и частота кадров должны быть достаточными для точного измерения колебаний.
Компьютер: Достаточно мощный для обработки видео в реальном времени.
Программное обеспечение: Необходимо программное обеспечение для обработки видео, способное.
Запись видео: Запись видео с камеры с высокой частотой кадров.
Отслеживание объекта: Автоматическое или полуавтоматическое отслеживание квадрокоптера в кадре видео. Это может быть достигнуто с помощью алгоритмов компьютерного зрения, например, отслеживания цвета, обнаружения формы или более сложных методов, таких как глубокое обучение.
Измерение координат: Определение координат квадрокоптера в каждом кадре.
Анализ данных: Обработка полученных данных координат для определения периода и амплитуды колебаний. Возможно использование таких инструментов, как Python с библиотеками OpenCV или MATLAB.
1.2. Процесс измерения:
1. Установка камеры: Камера должна быть установлена в таком положении, чтобы обеспечить чёткое изображение квадрокоптера во время его движения. Необходимо обеспечить стабильность камеры, чтобы исключить посторонние колебания.
2. Настройка параметров: Настройте параметры камеры (разрешение, частота кадров) и программного обеспечения для отслеживания объекта. Важно выбрать параметры, обеспечивающие достаточную точность измерений.
3. Выполнение тестового импульса: Примените к квадрокоптеру резкий импульс управления (например, кратковременное изменение угла наклона). Этот импульс должен вызвать затухающие колебания.
4. Запись видео: Запишите видео процесса колебаний квадрокоптера.
5. Обработка видео: Используйте выбранное программное обеспечение для обработки видео. Алгоритм отслеживания должен идентифицировать квадрокоптер в каждом кадре и определять его координаты.
6. Определение периода и амплитуды: По полученным данным координат определите период (время одного полного колебания) и амплитуду (максимальное отклонение от положения равновесия) колебаний. Это можно сделать путём анализа графика зависимости координат от времени. Важно учитывать затухание колебаний. Для определения периода лучше использовать несколько циклов колебаний и усреднить полученные значения.
1.3. Обработка данных и погрешности:
Важно учитывать погрешности, связанные с несовершенством алгоритма отслеживания, шумами в видеосигнале, и ограничениями разрешения камеры.
Необходимо провести несколько экспериментов и усреднить полученные значения периода и амплитуды для уменьшения влияния случайных погрешностей.
Анализ данных может быть упрощен с помощью графических представлений, позволяющих визуально оценить период и амплитуду колебаний.
1.4. Преимущества использования видеоизображения:
Не требует установки дополнительных датчиков на квадрокоптер, упрощая процесс эксперимента.
Позволяет визуально контролировать процесс и качество измерений.
Обеспечивает возможность получения данных о движении квадрокоптера в 2D или 3D пространстве, что может быть полезно для более комплексного анализа.
Этот раздел описывает общий подход. Конкретная реализация зависит от доступного оборудования и программного обеспечения. Важно тщательно продумать алгоритмы обработки данных и оценить возможные погрешности. После определения периода и амплитуды колебаний можно приступать к следующему шагу метода Циглера-Никольса.
2.Метод Циглера-Никольса заключается в последовательном выполнении следующих операций:
2.1 Обнуляем все коэффициенты регулятора.(Kp,Ki,Kd = 0)
2.2 Задаем некоторое целевое значение регулируемого параметра .
2.3 Постепенно начинаем увеличивать пропорциональный коэффициент(Kp) и следим за реакцией системы.
2.4 Выводим систему в автоколебания.
2.5 Фиксируем это значение(К) , а также период колебаний системы(Т).
3.На этом практическая часть метода заканчивается. Из полученных значений рассчитываем коэффициенты:
3.1 Kp=0.6⋅K
3.2 Ki=(2⋅K p )/T
3.3 Kd=(K p⋅T)/8
Здесь K - тот самый коэффициент пропорциональной составляющей, при котором возникли колебания, а T - период этих колебаний.
