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摘要四旋翼无人机由于体积小，质量轻，存在抗风扰能力差的问题，尤其是在室外飞行时，易受环境因素的影响。为了改善其鲁棒性、提高控制精度，本文采用模糊 PID的控制方法对无人机进行仿真控制。首先，使用牛顿-欧拉法，搭建电机数学模型和四旋翼数学模型。而后根据其数学模型，在 Simulink 中设计模糊 PID 控制器，进行一系列的仿真与测试工作，并与经典 PID的仿真结果进行对比。仿真结果表明，较之经典 PID，模糊 PID的调节时间更短、控制精度和稳定性亦有较大改善，因此模糊 PID适合用于四旋翼无人机的控制中。最后选用PID控制方法进行飞行试验，验证了 PID控制器设计的可行性。41643
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毕业论文关键词 模糊 PID 四旋翼 Matlab X650
Title RESEARCH ON DESIGN OF CONTROL SYSTEM .FOR A QUADROTOR UNMANNED AERIAL VEHICLE .AbstractMicro-quadrotor unmanned aerial vehicle(UAV) is small in size and its winddisturbance resistance is poor. It ’ s easily affected by environmentalfactors,especially in outdoor. So a fuzzy PID control is proposed in this paperto improve the robustness and control accuracy of control systems for quadrotor.On the basis of the status quo which summarizing the quadrotor research , usingNewton-Euler method ,I set up four rotor simulating model and motor model.Thenthe fuzzy PID controller is designed in Matlab/Simulink to carry out the quadrotorunmanned aircraft system modeling, simulating and testing work.I have comparedthe result with the traditional PID controller，and the results show that fuzzyPID control used shorter time to response,and the stability is also improvedsubstantially.So fuzzy PID control is suitable for quadrotor unmanned aerialvehicle.The flight test with PID control method verifies the feasibility of PIDcontroller design.
Keywords Quadrotor X650 Matlab Fuzzy PID
目次
1绪论1
1.1研究的背景与意义1
1.2四旋翼无人机发展现状2
1.3文章组织结构4
2四旋翼工作原理及相关知识5
2.1四旋翼结构5
2.2四旋翼工作原理6
3四旋翼仿真模型和电机数学模型的建立9
3.1坐标系变换9
3.2电机数学模型10
3.3四旋翼数学模型11
3.4应用simulink搭建仿真模型13
3.5风扰模块生成15
3.6本章小结15
4PID控制器设计与仿真16
4.1输入阶段进给16
4.2四旋翼PID控制算法设计16
4.3PID控制算法仿真18
4.4本章小结19
5模糊PID控制器设计与仿真20
5.1模糊控制原理20
5.2模糊PID控制器设计20
5.3模糊PID控制算法仿真结果23
5.4本章小结28
6四旋翼飞行试验29
6.1飞行控制系统总体方案和功能分析29
6.2飞控主要模块选型29
6.3飞行验证32
6.4本章小结33
结论34
致谢35
参考文献36
1 绪论
1.1 研究的背景与意义无人机(UAV)是一类通过远距离无线电或本身已有程序控制的一类不载人飞行器[1]。无人机将飞行途中采集的音频、温度、图像等信息，通过飞行控制系统，以无线电的方式传输至地面基站。这样，基站操作人员可以根据传回的信息进行分析与决策。经过近一个世纪的深入研究和开发应用，无人机形成了一套完整的理论技术体系。其中，四旋翼无人机作为一类多旋翼、垂直升降的飞行机器人，本身结构紧凑，飞行稳定性能良好，在各领域具有诸多优势。在军用领域，四旋翼飞机对抗风中气流冲击的能力极强，并且具有极佳的反监视和抗干扰的能力。较之常规微型直升机，四旋翼的四片桨叶产生的的扭转矩可以互相抵消，不需要安装用以平衡扭矩的尾翼，降低了噪声和功耗，动力利用效率高，同时，也提高了安全性，便于实现微型化和轻量化。在当代信息化战争中，复杂的战争环境、单兵作战可能性的提高，使得传统意义上的固定翼无人机无法满足战场需要，而四旋翼适合在近地环境(丛林、山谷)以及狭小空间(街巷、室内)执行侦察任务，同时它可以反复使用、机动性好、无伤亡的特点，使其具有广阔的军事前景。在民用方面， 利用旋翼飞机携带的高清摄像头， 可以对例如自然灾害现场任意位置悬停，并进行实时图像、音频采集，将其发送至控制基站，从而有效地帮助指挥人员进行决策判断，对于开展救灾、保障救援人员的安全发挥着巨大的作用。目前，无人机在民用领域的应用主要涉及人工降雨、森林防火，生态农业估产，电力巡线，应急指挥，地震调查等诸多领域[2]。由于无人旋翼飞行器在军事以及民用领域都有着巨大的的应用价值和潜力，各国的公司、研究所以及大学都在对其进行相关的研究，成果丰硕，其中以美国、西欧、日本及以色列为最。由于国起步较晚，在理论、应用等方面与发达国家相比尚有较为明显的差距。同时，作为高科技产品，美国、日本等国对国实施极为严格的技术封锁和产品禁运。是以必须尽快依靠自身的科研实力，研发出属于自己的旋翼飞机的飞控系统，并全力实现产业化发展之路。但是由于四旋翼无人机本身是一种具有4个输入、 6个自由度、 高度耦合的欠驱动系统[3]，所以闭环稳定控制是当前需要着重解决的难题。同时其非线性的特点和较弱的抗干扰能力，要求在设计飞行控制器时，应设法提高飞行稳定性[27]。