《四旋翼無人機(jī)控制理論分析》2100字

四旋翼無人機(jī)控制理論分析綜述四旋翼無人機(jī)由于只能接受四個(gè)變量的輸入，即通過改變四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速從而改變四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在飛行時(shí)升力的變化，通過改變無人機(jī)所受到的升力就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和飛行位置上的控制，由于只有四個(gè)輸入量但卻實(shí)現(xiàn)了對(duì)六個(gè)狀態(tài)量的輸出，所以它又被廣泛稱為一種欠驅(qū)動(dòng)的升降系統(tǒng)REF_Ref72087031\r\h[20]。所以在本文中的四旋翼無人機(jī)飛行控制器的設(shè)計(jì)中使用了pid控制器REF_Ref72087049\r\h[21]，pid控制器是一種廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的一種控制器，通過這種控制器可以達(dá)到對(duì)四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制即三個(gè)姿態(tài)角(橫滾角φ俯仰角θ偏航角ψ)和高度z共四個(gè)不同控制變量的控制REF_Ref72087082\r\h[26]。由于四旋翼無人機(jī)的各個(gè)控制分量十分復(fù)雜，是一種多個(gè)變量交叉耦合作用在一起的系統(tǒng)，也正是由于這種多種變量耦合在一起的關(guān)系旋翼無人機(jī)的控制系統(tǒng)也被稱作為是一種高度非線性的控制系統(tǒng)，因此，才能必須首先對(duì)這個(gè)系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)做一些基本簡化才能對(duì)四旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究并建立一個(gè)動(dòng)力學(xué)模型控制系統(tǒng)體系。本文通過理論假設(shè)四旋翼無人機(jī)在近似盤旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，也就是說這種無人機(jī)僅僅是能夠進(jìn)行小角度的盤旋運(yùn)動(dòng)，在這種條件下可以將四旋翼無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程組進(jìn)一步的進(jìn)行簡化。1.1PID控制原理PID控制是一種集微分控制、積分控制、比例控制于一體的反饋控制系統(tǒng)，其簡稱來自于ProportionalIntegralDerivativeControl的縮寫，PID控制步驟與控制對(duì)象和應(yīng)用條件有關(guān)，為便于描述，可以直接將之叫做PID控制律，控制器使用了這種方式就是所謂的PID控制器。pid控制，即系統(tǒng)充分利用模糊控制邏輯并根據(jù)某些特殊的模糊性處理規(guī)則對(duì)pid控制的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制進(jìn)行了精確實(shí)時(shí)性的優(yōu)化，模糊pid的控制原理與經(jīng)典pid控制大致相同。Pid的主體設(shè)計(jì)框圖如圖4-1所示，通過測(cè)量設(shè)置的期望值rt和測(cè)得的由系統(tǒng)反饋出來的測(cè)量值yt，這兩個(gè)值輸入到控制系統(tǒng)后進(jìn)行相減得出誤差值et，之后對(duì)這個(gè)誤差值et分別進(jìn)行了積分運(yùn)算與微分運(yùn)算，之后將誤差值et與比例系數(shù)kp相乘，積分后的誤差值et與積分系數(shù)ki相乘，微分之后的誤差值圖4-1經(jīng)典PID控制原理框圖1.2模糊PID模糊pid控制REF_Ref72087099\r\h[22]，即系統(tǒng)充分利用模糊控制邏輯并根據(jù)某些特殊的模糊性處理規(guī)則對(duì)pid控制的各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制進(jìn)行了精確實(shí)時(shí)性的優(yōu)化，模糊pid的控制原理與經(jīng)典pid控制大致相同，所搭建的模糊pid原理框圖如圖4-2所示。圖4-2模糊PID控制原理框圖整個(gè)框圖首先輸入的是所設(shè)置的期望值與實(shí)際系統(tǒng)測(cè)量出來的測(cè)量值相減所得到的偏差值e，將這個(gè)偏差值e輸入模糊計(jì)算模塊中。在這個(gè)模糊計(jì)算模塊中，對(duì)輸入的值進(jìn)行模糊化，根據(jù)說設(shè)立的模糊規(guī)則確定權(quán)重系數(shù)，并根據(jù)這個(gè)系數(shù)來進(jìn)行反模糊化。進(jìn)行反模糊化后會(huì)分別得到比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd并將這三個(gè)系數(shù)傳輸?shù)絧id控制系統(tǒng)當(dāng)中去，最后根據(jù)pid控制輸出變量u來達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。模糊pid控制有效的克服了經(jīng)典pid控制無法根據(jù)系統(tǒng)輸入量的變化來自動(dòng)和實(shí)時(shí)的調(diào)整參數(shù)的缺點(diǎn)。模糊PID的搭建，在MATALB中用fuzzy命令直接打開fuzzy設(shè)計(jì)工具箱REF_Ref72087114\r\h[23]，在fuzzy設(shè)計(jì)工具箱中添加輸入輸出、隸屬度函數(shù)、數(shù)值范圍。根據(jù)KP、KI、KD的模糊規(guī)則表REF_Ref72087382\r\h[28]，添加模糊規(guī)則如下圖4-3、4-4、4-5所示。圖4-3KP模糊規(guī)則圖4-4KI模糊規(guī)則圖4-5KD模糊規(guī)則最后進(jìn)行反模糊化解算出要輸出的KP、KI、KD的值REF_Ref72087139\r\h[24]。1.3四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)和高度控制設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)控制就是通過一些控制算法來控制無人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角的運(yùn)動(dòng)，即四旋翼無人機(jī)在慣性坐標(biāo)系下相對(duì)于坐標(biāo)軸的方向發(fā)生的角變化，通過設(shè)計(jì)四旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)來使無人機(jī)的三個(gè)姿態(tài)角（橫滾角φ，俯仰角θ，偏航角ψ）快速的達(dá)到我們所期望的期望角度REF_Ref72087299\r\h[25]。四旋翼無人機(jī)只能將4個(gè)量輸入到飛行控制系統(tǒng)當(dāng)中，這是由其本身的欠驅(qū)動(dòng)強(qiáng)耦合性決定的，因?yàn)樗男頍o人機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要靠旋翼所產(chǎn)生的力來改變無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)所以通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以得到四個(gè)力與力矩矢量的關(guān)系，可以將這個(gè)關(guān)系式作為系統(tǒng)的輸入量輸入到四旋翼無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)中。U=U飛行控制系統(tǒng)的輸出量即為三個(gè)姿態(tài)角。本文通過理論假設(shè)四旋翼無人機(jī)在近似盤旋的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，也就是說這種無人機(jī)僅僅是能夠進(jìn)行小角度的盤旋運(yùn)動(dòng)，，基于這種假設(shè)可以對(duì)四旋翼無人機(jī)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行簡化，于是可得其姿態(tài)角以及相應(yīng)的角速度之間的的關(guān)系為：φ=0θ=0可以得到簡化后的方程，這個(gè)方程表明了系統(tǒng)輸入量與飛行控制系統(tǒng)的三個(gè)輸出姿態(tài)角的關(guān)系為：φ=根據(jù)對(duì)四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)的分析可以得出無人機(jī)的高度與無人機(jī)四個(gè)旋翼旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的總推力U1相關(guān)，即控制U1的輸入就可以