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目標姿勢からのずれを3種の制御量"PID"で自動補正


M5 StampFlyで実習マルチコプタ制御プログラミング

PID制御ループの構成

図1　マルチコプタの姿勢を安定させるには，目標姿勢からのずれを瞬時に補正する制御が不可欠であり，その基本は比例制御（P），積分制御（I），微分制御（D）である．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［提供・著］伊藤恒平
詳細：［VOD/KIT/data］ドローン・キット``drone Fly''で学ぶマルチコプタ制御入門

マルチコプタの安定した飛行には，目標姿勢からのずれを瞬時に補正する制御が不可欠です．この補正にはPID制御が広く用いられます．PID制御は比例（P），積分（I），微分（D）の3種類の要素を組み合わせて制御信号を生成する方法です．

制御誤差と補正の考え方

制御対象の位置や姿勢が目標からずれると，その差を誤差として計算します．

例えば，車両やドローンが中心線からずれた場合，目標値を0とすると実測値との差が誤差です．この誤差に基づいて制御量を調整することで，目標姿勢に戻します．

誤差の符号と補正方向の関係は重要です．誤差が正の場合は逆方向に補正し，負の場合は順方向に補正します．

PID制御ループの構成

制御ループは以下のような流れで構成されます．

  1. 目標姿勢の設定（ホバリング状態や希望のピッチ角など）
  2. ジャイロ・センサや加速度センサで現在の姿勢角や角速度を取得
  3. 目標値と実測値の差（誤差）を計算
  4. 誤差に基づき，PID制御で各モータ出力$U$を補正
  5. 補正後の状態を再度センサで検出し，ループを継続

比例制御（P）の役割

比例制御は誤差に比例した制御量を生成します．誤差が大きいほど強く補正し，誤差が小さくなると補正も弱まります．

積分制御（I）の役割

積分制御は誤差の累積値に基づいて補正します．長期間の微小な誤差を解消し，定常誤差を減らす効果があります．

微分制御（D）の役割

微分制御は誤差の変化率を見て補正します．誤差が急速に変化する場合に先回りして補正し，振動やオーバーシュートを抑えます．

M5 StampFlyでの実習

M5 StampFlyを使用することで，ドローンの各モータ出力$U$をPID制御でリアルタイムに補正するプログラムを実装できます．

水平状態を保つための各モータ制御入力$U$に加え，外乱や操作によるロールの傾きを修正するデルタ$U_{roll}$を加えることで，安定したホバリングを実現します．

〈著：ZEPマガジン〉

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