四旋翼飞行器控制优化与仿真

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1、第32卷第5期计算机仿真2015年5月文章编号：1006—9348(2015)05—0046—05四旋翼飞行器控制优化与仿真李泽州，张东升(西安交通大学机械工程学院，陕西西安710049)摘要：四旋翼飞行器姿态稳定的关键在于控制方案的选择。但由于环境中存在的气流扰动、电源电压的变化以及实际重心与理论解算时重心位置的偏差等的影响，理论环境下的控制参数并不能很好地、甚至无法对实际中的四旋翼飞行器进行控制，从而导致四旋翼飞行器失稳。由于实际飞行中控制参数的不可调，更增加了控制参数选择的难度。针对上述问题与难点，提出了一种结合PID参数初值并进行在线调整的

2、方法，采取先调节单个自由度下PID参数，再进行多自由度下PID参数调节的步骤。实验结果表明，上述PID参数选择、调节方法可行有效，有助于飞行器的稳定。关键词：姿态控制；优化控制；参数整定；在线调整中图分类号：THl22文献标识码：BOptimizationandSimulationofControlforFour-rotorAircraftLIZe-zhou，ZHANGDong-sheng(SchoolofMechanicalEngineering，Xi"anJiaotongUniversity，Xi'anShanxi710049，China)AB

3、STRACT：Thekeyofattitudestabilityoffour—rotoraircraftliesintIlechoiceofcontrolscheme．Hereweputfor-wardamethodcombiningPIDinitialvalueandon—lineadjustmentaimingattheaboveproblems，i．etheregulationofsinglePIDparametershouldbefoHowedbyaregulationofPIDparametersofmuhi-degreeoffreedo

4、m．ExperimentalresultsshowthattheselectionofPIDparametersandtheadjustingmethodarefeasibleandeffective，whichcancon-tributetotheaircraftstability．KEYWORDS：Attitudecontrol；Optimizationofcontrol；Regulationofparameter；Onlineadjusting1引言四旋翼无人飞行器是一种依靠四个旋翼产生的升力实现姿态稳定及精确定位的飞行器。由于其结构简单、体

5、积较小、飞行平稳、隐蔽性好，因此被广泛地应用于近地面监视、侦察、航拍，具有重要的研究价值和广阔的研究前景。由于四旋翼无人机是多输人多输出、欠驱动、强耦合的～个不稳定系统，所以合理的控制算法是保证无人机稳定飞行的主要原因之一。良好的控制律与控制参数又是保证控制效果与鲁棒性的关键因素。而且实践表明，理论上的控制方案与实际的工作环境有一定的差距，由于环境中存在的气流扰动、电源电压的变化以及实际重心与理论解算时的重心位置的偏差等的影响，从而导致理想的设计在实际中很难达到预期效果，在多输人多输出的一个系统中表现更为明显。这也是造成四旋翼飞行器难控制的一个因素

6、。因此，如何优化控制参数使其能够适应实际的工况是保证实验成功的要素。针对上述理论控制参数不能很好地满足实际情况的问收稿日期：2014—07—08修回日期：2014—08—11—--——46·u-——题，本文做出如下改进：首先根据稳定性判据条件选择各回路控制参数的初始值。实验时，在各回路PID参数初值的基础上进行在线调整，同时，采取先调节单个自由度下PID参数，再调节多自由度下PID参数的方法。这样解决了理论控制方案与实际不符、参数不可调的问题，可以很好地满足实际中的四旋翼飞行器控制。2动力学模型与控制模型2．1动力学建模由于飞行器在飞行过程中的姿态

7、角以及航速均是在地面坐标系下讨论的，而机体的受力分析是在与机体固联的机身坐标系下讨论的，因此需要分别建立如图1所示的机体坐标系RB与地面标系RE。％为与机体固结的机体坐标系，机体坐标系各坐标轴的定义为：O。钿为垂直于机身轴线的坐标轴，约定竖直向上为正；O。茗。为与飞行器航向平行的坐标轴，约定与飞行方向相同为正；坐标轴O。YB由％％和O。钿按照右手法则确定。初始状态时，机体坐标系原点0。与地面坐标系原点0。重合，机体坐标系三轴与地面坐标系三轴重合。同时定义飞行器的图1地面坐标系与机体坐标系飞行姿态角如下：航向角∥：机体坐标轴％与地面坐标轴算。的夹角；

8、横滚角0：机体坐标轴Y。与地面坐标轴Y。的夹角；俯仰角妒：机体坐标轴z。与地面坐标轴％的夹角。另F1、砣、乃、肘分别表示由