四旋翼飞行器模糊PID姿态控制.pdf

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1、第31卷第8期计算机仿真2014年8月===============================================：=====：：==：：：：=：：文章编号：1006—9348(2014)08一0073一05四旋翼飞行器模糊Pm姿态控制张镭，李浩(河南大学物理与电子学院，河南开封475004)摘要：在四旋翼飞行器控制姿态优化问题的研究中，为更好的实现对四旋翼飞行器的姿态控制，在MatIab环境下利用6一DOF运动方程模块搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象，借助

2、Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；同时设计了常规PID控制器并选取了最佳的PID控制参数，对两种控制器控制下的四旋翼飞行器姿态进行了相同条件下的Madab仿真。仿真结果表明，模糊PID控制器相比常规PID控制器具有更优良的动态性能及鲁棒性。对实际四旋翼飞行器的姿态控制具有一定的指导意义。关键词：四旋翼飞行器；姿态控制；仿真中圈分类号：1鹃91．9文献标识码：BAtti由udeContr010fFour—R0torAircrafltviaF眦zy咖ZHANGLei．U

3、Hao(CollegeofPhysics锄dElectmnics，He咖UIIiversity，Hen明K抵ng475004，China)ABSIIRACT：Inordertoachievereliableattitudec∞troloftlIefollr—rotorair；c献。weusedtIle6一DOFmotione-quationmodIlletoconstnlctmenon—hnearmodeloftllefour—mtoraircraftundertlleenViro砌entofMadabintl

4、lisp8per．wech0Setllea技i￡udeoftllefour—lUtor鹳controlp&随meter，d皓i印edtllefIlzzyPIDcontroUer诵tIltllehelpofMaⅡabfuzzyt00lbox明dalsoeditedtllefhzzymlesrelyonexper￡，sexperience．Me锄while，Wedesi印edt}Iecon—ventionPIDcon饷Uer硒tht}Iebestpa蹦neters，锄demployedManabsimlllati佃

5、￡o豫alizetlleaniludec蚴tldsimu—lation诫tht11istwokindsofcontmUe璐oftllefoIlr—mtoraircrm．Theresultof山esimlllationshawstllat，thef池zyPIDcon协)uerh鹊moreexceUentdyll锄icpmpertyandrob峭messcomparedwit}lt}IeconVentionPIDcont阳Her．KEYWORDS：Follr—rotoraircmft；AnitudecontIDl；

6、Simulation1引言近年来，四旋翼飞行器因其具有垂直起降、可携带负载、方便控制的特点而获得研究人员越来越多的关注。由于这些特点的存在，四旋翼飞行器广泛应用于众多领域比如：监控安保、搜寻营救、检测探索等等⋯。但是四旋翼飞行器具有六个自由度却仅由位于十字形交叉结构末端的四个旋翼产生驱动力，是一种欠驱动、强耦合、多变量、非线性的复杂系统旧J。因此实现其闭环稳定控制是目前面临的主要困难。四旋翼飞行器的控制主要包括姿态控制和位置控制，由于位置的改变是由于姿态的变化而引起的。因此控制四旋翼飞行器的姿态是最为重要的。为

7、了实现对四旋翼飞行器的姿态控制，通常情况下人们采用的是比较成熟的PID控制器。PID控制器具有原理简单、算法成熟、控制参数相互独收稿日期：2013一12—29立、稳定性好等优点，但它基于系统精确模型设计，当系统内部结构或者外部环境发生变化时，容易导致控制对象和模型失配，且其控制参数固定，抗扰动性和适应性差，难以控制非线性、不确定的复杂系统pJ。而本文提到的模糊PID控制器为非线性控制器【4J，它既保持了模糊控制算法不依赖精确模型、控制灵活快速的优点，又结合了PID控制算法静态误差小的优势，二者互补，能对非线性复

8、杂系统实现良好的控制。2四旋翼飞行器非线性数学模型四旋翼飞行器为十字形对称结构，其物理结构图如图l所示：将四翼飞行器视为具有六个自由度的刚体，其运动方程可依据牛顿一欧拉方程建立。考虑了四旋翼飞行器在运动过程中旋翼的回转效应，由文献[5]得到四旋翼飞行器最终的非线性数学模型如下：一73—p-俯仰角；乒横滚角；妒偏航角；n，乃，乃，乃·四个旋翼产生的升力图1四旋翼飞行器结构图戈=一(一si