基于模糊自适应PID控制的四旋翼无人机飞控系统研究

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1、分类号：TP242.6密级：公开UDC：621编号：201431204010河北工业大学硕士学位论文基于模糊自适应PID控制的四旋翼无人机飞控系统研究论文作者：何乃晨学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：机械工程指导教师：丁承君职称：教授资助基金项目：河北省科技小巨人（培育）企业项目“自主作业航空植保无人机研发”（项目编号：15C1303181021）DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineer

2、ingRESEARCHONFLIGHTCONTROLSYSTEMOFFOUR-ROTORUAVBASEDONFUZZYADAPTIVEPIDCONTROLbyHeNaichenSupervisor:Prof.DingChengjunMarchThisworksupportedbytheScienceandTechnologyLittleGiantSpecialFundofHebeiprovince.No.15C1303181021.原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引

3、用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构

4、送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：摘要近些年来，随着技术的发展和飞行控制系统的成熟，多旋翼无人机已经被越来越多的人所接受和喜爱。作为无人机大脑的飞行控制系统，其设计上最基础且最核心的问题是如何使无人机在空中更稳定的自主悬停，本文以四旋翼无人机为研究对象，设计了基础飞控系统，并且对比了不同PID姿态控制方式对无人机的控制效果。首先，从四旋翼无人机垂直飞行、横滚飞行、俯仰飞行和偏航飞行的受力和运动分析入手，建立其数学模型，并通过MATLAB仿真验证了数学模型的正确性。

5、规定了无人机控制系统的四个输入量，并结合数学模型分别获得相应控制通道的数学表达式，为整个无人机控制系统的设计、仿真和实验打下了基础。本文选择四元数用作描述四旋翼无人机姿态的载体，构建了四元数与空间坐标系中姿态欧拉角，即横滚角、俯仰角、偏航角的联系，通过四元数微分方程更新算法以实时掌握无人机的空中姿态，并将其用作后续姿态控制的输入量。完成上述工作之后，进而着手设计无人机姿态控制系统。大多数开源飞控在进行姿态控制时均采用经典PID控制方法，本文在构建了经典单回路与串级PID姿态控制系统的基础上，为了进一步增强飞行器的稳定性，引入了模糊自适

6、应串级PID控制方式，目的是能够让飞控系统根据无人机实际飞行情况智能的改变PID参数来达到最优控制效果。随后通过MATLAB对三种PID控制方式下的无人机横滚角、俯仰角阶跃响应进行了仿真。同时提出了将模糊控制优化为模糊模型参考学习控制的可行性。随后，将姿态解算与姿态控制的原理性算法编写为软件程序，同时进行了飞控系统其他模块的软硬件设计，包括主控制器PWM信号捕获与输出、传感器通信模块、无线通信模块，并将上述模块结合成一个完整的基础飞控程序。最后，搭建了飞控测试板和无人机测试平台，对三种PID姿态控制方法进行了无人机机体回中特性、抗干扰

7、特性等实机飞行试验，得出了基于模糊自适应PID的姿态控制方法可使无人机更加稳定的结论。关键词：四旋翼无人机数学模型四元数模糊自适应PIDMATLAB仿真IABSTRACTInrecentyears,withthedevelopmentoftechnologyandflightcontrolsystemmature,multi-rotorunmannedaerialvehicle(UAV)hasbeenacceptedandlovedbymoreandmorepeople.Inthedesign,themostbasicandcorei

8、ssueofflightcontrolsystem,astheUAV'sbrain,ishowtomaketheUAVhoverindependentlymorestableintheair.Thispapertofou