基于模糊自整定PID四旋翼无人机悬停控制.pdf

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1、万方数据2013年9月第20卷95期控制工程ControlEngineeringofChinaSep．2013V01．20，No．5文章编号：1671—7848(2013)05-0910-05基于模糊自整定PID四旋翼无人机悬停控制李一波，宋述锡(沈阳航空航天大学自动化学院，辽宁沈阳110136)摘要：四旋翼无人直升机是一种多输入、强耦合、多变量、欠驱动的系统．其可以应用到航拍、考古、边境巡逻、反恐侦查等多个领域，具有广阔的前景。根据欧拉定理以及牛顿定律建立四旋翼无人直升机的动力学模型，并且考虑了空气阻力、转

2、动力矩对于桨叶的影响，而后基于经典PID算法设计了双环控制系统，之后在此基础上结合模糊控制技术设计了模糊自整定PID控制器。通过Matlab／Simulink对两种控制算法设计的控制器进行仿真比较，从仿真结果可以看出两种控制算法均可使四旋翼无人直升机到达指定位置并且保持悬停状态，但模糊自整定PID算法设计的控制系统在响应时间以及稳定性方面优于经典PID下的控制系统的控制效果。关键词：四旋翼无人直升机，PID，模糊自整定中图分类号：TP27文献标识码：AHoveringControlforQuadrotorUn

3、mannedHelicopterBasedonFuzzySelf-tuningPIDAlgorithmLlYi—bo．SONGShu—xi(CollegeofAutomation，ShenyangAerospaceUniversity，Shenyang110136，China)Abstract：QuadrotorUnmannedHelicopter(QUH)isakindofunder—actuatedsystemwithmultipleinputsandstrongcoupling．Ithasabroada

4、pplicationprospect，suchasaerialphotography，archaeology，patrollingborder，anti—terrorisminvestigation．DynamicalmodelcanbeestablishedaccordingtoEulergtheoremandNewton§law．consideringtheeffectofairresistanceandrotatingtorque．Adual—loopcontrolsystemisdesignedbas

5、edPIDalgorithm．andthenanothersystemisdesignedbasedonfuzzyself—tuningPIDcon-troller．SimulationresultsoftwocontrollersrevealthattheQUHcanarriveatthespecifiedpositionandkeephoveringandcontroleffectsoffuzzyself·—tuningPIDcontrollerarebetterthanthatofclassicPIDi

6、ntheaspectofresponsetimeandstability．Keywords：quadrotorunmannedhelicopter；PID；fuzzyself—tuning1引言四旋翼无人直升机是一种具有垂直起降与空中悬停等特殊飞行能力的多旋翼无人飞行器。在飞行过程中，改变四个旋翼的转速，改变各种飞行姿态。正因为四旋翼无人直升机具有垂直起降、空中定点悬停、可以实现六自由度的飞行等独特的飞行能力，可以在任何环境下起降，这恰好与军用及民用的相关方面的需求相吻合，如航拍、考古、资源勘探、大气监测、交

7、通监控、边境巡逻、电力线检测、缉毒缉私、反恐侦查、灾情监视等。最近几年，由于现代控制理论技术得到广泛的发展，许多在现代控制理论中的先进控制算法都已经成功地应用到四旋翼无人直升机的控制中。如神经网络算法⋯、滑模控制旧J、自适应控制’3J、线性二次型控制算法‘4J，在提高反应速度、应对不确定性方面均取得了成果。本文采用模糊自整定PID算法成功实现对四旋翼无人直升机的悬停控制研究。2四旋翼无人直升机数学模型建立为了更好地研究四旋翼无人直升机的动力学性能，我们必须建立相对精确的四旋翼无人直升机的数学模型。1)坐标系的

8、建立以及转换关系为了建立系统动力学模型所选取的2个坐标系：地面坐标系E(OXYZ)和机体坐标系B(Oxyz)。四旋翼无人直升机的运动主要有2个方面：平动和转动。直升机平动时将其视为质点模型进行研究，转动时将其视为刚体模型进行分析研究。平动过程在地面坐标系E(OXYZ)下进行分析，转动过程在机体坐标系收稿日期：2012-08-01；收修定稿日期：2012-09—10基金项目：国家自然科学基金(6110