四旋翼飞行器PID控制器的设计

本科毕业设计(论文)GRADUATIONDESIGN(THESIS)题目：四旋翼飞行器PID控制器的设计学生姓名：李建华指导教师：贺继林学院：机电工程学院专业班级：机械1208班本科生院制2016年6月四旋翼飞行器PID控制器的设计I四旋翼飞行器PID控制器的设计摘要四旋翼飞行器是一种具有四个输入和六个自由度可实现垂直起降的欠驱动强耦合旋翼式飞行器。在实际飞行过程中，经常会受到外界气流扰动的影响，使得飞行器的位姿偏离预期的状态。为了解决飞行器受扰动后飞行失稳的问题，根据牛顿–欧拉方程建立了四旋翼飞行器的动力学模型，并基于小扰动方法将非线性动力学模型线性化。根据传递函数与状态方程之间的关系得到各控制通道的传递函数，分别对各个通道设计了PID控制器并通过Matlab/Simulink平台对所设计的PID控制器进行了仿真。仿真结果显示：在所整定的控制器参数下，飞行器可以迅速准确飞抵目标位置并保持预期姿态，且在飞行器受微扰动后，控制器具备控制四旋翼飞行器位姿的能力。本设计对四旋翼飞行器受微扰动时的自稳定控制具有一定的参考价值和指导意义。关键词：四旋翼飞行器动力学模型PID控制器微扰动仿真四旋翼飞行器PID控制器的设计IIDesignofPIDcontrollerforaquadrotorABSTRACTQuadrotorisakindofunderactuatedandstrongcouplingrotary-wingaircraftwithfourdriversandsixdegreesoffreedom,whichcanrealizeverticaltake-offandlanding.Intheactualflyingprocess,itwillbeinfluencedbyexternalairflowusually,whichresultinaircraft’sposturedeviatefromexpectedstate.Inordertosolvetheflyinginstabilityproblemswhenitisdisturbed.AccordingtoNewton-Eulerequation,weestablishedit’sdynamicmodel.Basedonthesmalldisturbancehypotheticalwegetit’slinearmodel.Accordingtotherelationshipbetweentransferfunctionandstateequation,wegettransferfunctionofeachcontrolchannel.ThenPIDcontrollerforeverycontrolchannelwasdesigned.SimulationwasdonebasedonMatlab/Simulinkplatform.Thesimulationresultshows:withthesetofcontrolparameters,quadrotorcanflytoexpectedpositionandkeepattitudequickly.Meanwhilethecontrollerprovestheabilitytocontrolthepostureinthepresenceofasmalldisturbance.Thisdesignisofsomepracticalsignificanceforquadrotor’sselfstabilizationcontrol.Keywords：QuadrotorDynamicmodelPIDcontrollerSmalldisturbanceSimulation四旋翼飞行器PID控制器的设计III目录第1章绪论.....................................................................................................11.1论文研究的背景和意义......................................................................11.2发展历史..............................................................................................21.3四旋翼飞行器控制算法研究现状......................................................31.4本文主要研究内容与结构安排..........................................................4第2章四旋翼飞行器动力学模型的建立.....................................................52.1四旋翼飞行器机械结构和控制原理..................................................52.1.1机械结构...................................................................................52.1.2控制原理...................................................................................62.2坐标系定义及方向余弦矩阵..............................................................92.3系统模型建立....................................................................................132.3.1直流电机的数学模型.............................................................132.3.2运动学方程.............................................................................152.3.3动力学方程.............................................................................152.3.4系统非线性模型.....................................................................182.3.5简化的非线性动力学模型.....................................................192.4本章小结............................................................................................20第3章基于PID算法的控制器设计.............................................................213.1PID控制器设计.................................................................................213.1.1PID控制理论基础..................................................................213.1.2小扰动线性化方程.................................................................223.1.3各控制通道的传递函数.........................................................243.2仿真实验与结果分析........................................................................253.2.1仿真平台的搭建和控制器参数的整定.................................253.2.2各控制通道的阶跃响应曲线.................................................263.2.3抗扰性实验.............................................................................29四旋翼飞行器PID控制器的设计IV3.3本章小结............................................................................................31第4章全文总结与展望……………………………………………………32致谢.................................................................................................................33参考文献.............................................................................................................34四旋翼飞行器PID控制器的设计第1页共34页第1章绪论1.1论文研究的背景和意义近年来，传感器、制动器、处理器和能量存储装置的技术进步使得四旋翼飞行器成为航空领域的研究热点。和传统直升机相比，由于不需要尾翼，其结构更加紧凑、操纵灵活，简单的机械结构使其便于生产，低廉的价格使其获得越来越多人的喜爱。在航拍摄影、农业病虫害防治、地质地理测绘以及视频监控等领域有着十分广阔的应用前景。与固定翼飞行器需要滑跑或弹射起飞不同，四旋翼飞行器可垂直起降，因而对起降场地要求低，具有很强的适应性。传统固定翼飞机升力与飞机速度的二次方成正比，因而当飞机速度为零时，升力即为零，因此不能在空中悬停。而四旋翼飞行器是依靠旋翼的旋转产生升力，当四个旋翼产生的升力之和与飞行器所受重力平衡时，便实现空中悬停。与传统直升机需要靠尾桨来平衡主旋翼所产生的反作用力矩（见图1-1）不同，四旋翼飞行器依靠前后、左右两组旋翼的旋转方向正好相反实现反扭矩的相互抵消。然而，四旋翼飞行器具有六个自由度却只有四个输入量，因而是一种欠驱动系统。所以本质上是不稳定的。因此，能够显著改善飞行器稳定性的控制算法的设计显得尤为重要。四旋翼飞行器复杂，非线性，强耦合的动力学特性催生新的控制算法和新技术不断诞生，新的控制算法和技术又反过来为工程中的实际控制问题服务。无论是理论研究还是工程应用，四旋翼飞行器的研究都有着重要意义。图1-1传统直升机靠尾桨平衡旋翼的反作用力矩四旋翼飞行器PID控制器的设计第2页共34页1.2发展历史人类历史上第一架真正意义上的四旋翼飞行器诞生于1907年，它是由Breguet兄弟设计制造的。飞行器重达630公斤，看起来十分笨重，由于没有飞行操作系统，完全靠飞行员手动操纵，其稳定性非常差。此后很长一段时间，四旋翼飞行器的研究基本上没有什么进展。尽管也有一些飞行器被设计制造出来，但总体上与第一架飞行器相比性能上没有实质性提高。进入21世纪，由于控制理论、处理器以及传感器技术等领域取得了飞速进步，四旋翼飞行器的研究才又重新被高等院校和科研机构关注。与Breguet兄弟此前实