四旋翼飞行器不完全微分PID控制算法研究

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1、第33卷第12期计算机仿真2016年12月文章编号：1006—9348(2016)12—0058—04四旋翼飞行器不完全微分PID控制算法研究田红鹏，范振可(西安科技大学，陕西西安710054)摘要：针对四旋翼飞行器飞行不稳定问题，提出一种不完全微分PID控制算法。为提高飞行器姿态的控制性能，在常规的PID控制器微分环节中加入一阶惯性环节，可降低外界信号对系统造成的干扰。首先建立四旋翼飞行器的动力学建模，并设计不完全微分PID控制器，最后在matlab中，分别对四旋翼飞行器的俯仰运动、翻滚运动和偏航运动进行仿真验证。仿真结果表明不完全微分PID控制器比常规

2、的PID控制器响应速度快，具有更高的鲁棒性和自适应能力，能够快速达到稳定状态，有效的提高四旋翼飞行器姿态的稳定控制能力。关键词：四旋翼飞行器；不完全微分；姿态控制中图分类号：TP391．9文献标识码：BAttitudeControlforQuad—-RotorBasedonIncompleteDerivativePIDTIANHong—peng．FANZhen—ke(Xi’anUniversityofScienceandTechnology，Xi’anShanxi710054，China)ABSTRACT：Aimingattheunstableproble

3、minthequad—copter，aPIDcontrollerwithincompletederivativeisproposed．Thecontrolleraddingafirst—orderinertiallinkinthederivativecanreducethenegativeeffectofexternalinterferenceonthesystem．Firstly，thedynamicmodelofthequad—rotorisestablished．Thenbasedonthemodel，thePIDcontrollerwithinco

4、mpletederivativeisdesigned．Finally，thesimulationiscarriedouttoverifythepitch，rollandyawmotionsoftheaircraftthroughMatlab．Theresultsshowthattheproposedalgorithmhasfasterresponse，strongerrobustnessandhigheradaptiveabilitythanthetraditionalPIDcontroller，itcallquicklyreachthestablesta

5、teandimprovethequad—rotorattitudestabilitycontroleffectively．KEYWORDS：Quad—rotor；Incompletederivative：Attitudecontrol1引言近年来，无人机的用途越来越广泛⋯。在军事上，可用于侦查、监控、反恐作战等；在民用上，可用于航拍、交通巡逻、架空线缆巡检、危险区域巡查和救灾等。四旋翼飞行器具有结构简单、垂直降落、便于操作等优点，所以成为航空学术领域、机器人领域和计算机控制领域的研究热点悼j。然而四旋翼飞行器是一种欠驱动、强耦合、多变量、非线性的复杂系统∞

6、J，因此四旋翼飞行器的设计难度高。目前四旋翼飞行器的姿态控制方法有多种，其中广泛运用的是PID控制器。PID控制器具有结构简单、鲁棒性好、基金项目：科技部、财政部科技惠民计划基金项目(2012GS610101)；大学生创新创业训练计划项目(省级：201410704049)收稿日期：2016—02—24—58一可靠性高、易于实现等优点‘“。但是常规的PID控制器中的微分环节对高频干扰信号过于敏感，容易引起控制器输出振荡，导致调节质量下降。因此在常规PID控制器微分环节串联一阶惯性环节，对PID控制器中的微分信号进行滤波，消除高频干扰，显著改善其性能㈣。2四旋

7、翼飞行器的飞行原理2．1建立坐标系为了描述飞行器的姿态信息，需要建立坐标系哺]。常用的两种坐标系为载体坐标系和地面坐标系如图1所示。载体坐标系B的原点为载体的质心，Xb轴与电机M，和电机坞连线重合，方向指向电机M。；y6轴与电机鸩和电机峨的连线重合，方向指向电机峨；Zb轴垂直于X。0。K平面向上。地面坐标系的原点为飞行器起飞时飞行器的质心，Z轴和E轴分别与载体坐标系的瓦轴和K轴平行，z。轴垂直地面向上。Z。爪Ⅵ①koe地面坐标系E图1载体坐标系与地面坐标系2．2姿态角转换四旋翼飞行器的位置和姿态角都是相对于地面坐标系来衡量的，而飞行器上传感器测得的数据是以

8、载体坐标系获得的，因此需要实现坐标转换。定义在载体坐标系下的向量为