四旋翼飞行器模糊PID姿态控制.docx

1、四旋翼飞行器模糊PID姿态控制计算机仿真：第卷第期文章编号：（）一一：年月：四旋翼飞行器模糊姿态控制张镭，李浩（河南大学物理与电子学院，河南开封）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，在环境下利用一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，借助模糊工具箱设计了模糊控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；同时设计了常规控制器并选取了最佳的控制参数，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仿真。仿真结果表明，模糊控制器相比常规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

2、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：鹃文献标识码：由眦咖（：锄，咖，明抵，）；献。一砌技鹳随，皓印诵明，锄，印饷硒蹦，锄佃豫蚴诫璐山，池协）鹊锄峭阳：；立、稳定性好等优点，但它基于系统精确模型设计，当系统内引言近年来，四旋翼飞行器因其具有垂直起降、可携带负载、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。而本文提到的模糊控制器为非线性控制器【，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，又结合了控制算法静态误差小的优势，二者互补，能对非线性复杂系统实现良好的控制。方便控制的

3、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。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控制器。控制器具有原理简单、算法成熟、控制参数相互独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

4、物理结构图如图所示：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，由文献得到四旋翼飞行器最终的非线性数学模型如下：收稿日期：一一万方数据图模糊控制器结构图俯仰角；乒横滚角；妒偏航角；，乃，乃，乃四个旋翼产生的升力图四旋翼飞行器结构图制器的输入，部分采用的是控制，故选取对”两个参数的调节量。作为输出。由此得到模糊控制器的模糊逻辑模型如图所示。扫：毕卜铷笔香争卜争等毕詈戈一（一砂妒。砂踟。妒）等矿一（一。归沁。妒）等害一（。胁妒）告图模糊逻辑框图其中，、分别表示导航坐标系下四旋翼飞行器在轴轴轴方向上的位移，纵口、妒分别表示四

5、旋翼飞行器在导航坐标系下的俯仰姿态角、横滚姿态角、偏航姿态角；表示四旋翼飞行器总的质量；表示四个旋翼产生的升力和，以表示四旋翼飞行器俯仰方向的力矩，表示四旋翼飞行器横滚方向的力矩，以表示四旋翼飞行器偏航方向的力矩；表示四个旋翼转速的代数和；、分别表示四旋翼飞行器在载体坐标系下的绕轴角速度；，即表示旋翼的回转惯量；、，曩分别表示四旋翼飞行器绕轴、轴、轴转动的转动惯量。在软件平台下，其自带一运动方程模块，该模块输入部分为导航坐标系下受到的力和力矩，输出部分包含有四旋翼的姿态输出，为保证系统的非线性特性，本次设计中采用该运动方程模块代替四旋翼飞行器的模型参与控制器的设计。控制部分选取初始参数为，为，

6、模糊控制器的控制模型如图所示。图控制器框图以控制四旋翼飞行器的俯仰姿态角为例，选取俯仰角度和角速度作为模糊控制器的输入，。、为模糊推理部分模糊控制器设计系统输入输出变量模糊控制器由模糊推理和控制器两部分组成，其结构如图所示。由图可知模糊控制器模糊逻辑部分包含两个输入分别为偏差和偏差的变化率，输出部分为三个参数的变化值、；、。，模糊控制器就是不断的检测偏差和偏差变化率，然后根据所编写的模糊规则产生相应的输出在控制器初始参数的基础上进行实时调节。本文选取姿态角的偏差和姿态角偏差变化率作为模糊控的输出。他们的语言变量分别为，。，。；设定其论域为：一，：一，。：一，。：一。选取“负大（）”、“负中（）

7、”、“负小（）”、“零（）”、“正小（）”、“正中（）”、“正大（）”描述系统变量，得到系统子集为，变量隶属函数选取为：左边梯形隶属函数，中间三角形隶属函数，右边梯形隶属函数的组合函数形式“。确定隶属函数的模糊子集后，利用工具可以得到输入参数、的隶属函数图和输出参数。、隶属函数图如图至图所示。一一万方数据图参数的隶属函数图参数的隶属函数图参数丛。的隶属函数图参数的隶属函数系统模糊规则对于模糊控制而言，模糊控制器仅仅输出三个万方数据参数的调节量，而最终影响系统控制效果的还是控制器的实际参数。因此根据控制器每个参数对系统动态及稳态控制的影响效果来建立相应的模糊规则。模糊规则建立的原则为：当偏差较大

8、的时候，选用较大的厶印，较小的尉；当偏差和偏差变化率中等大时，选用较小的邱，适中的尉；当偏差较小的时候，适当增大的值；当较小的时候适当增大雠的值；当髓较大时，适当减小邱值】。根据以上几点原则并综合考虑参数脚、“对整个系统动态及稳态性能的控制效果，最终建立本控制器的模糊规则如表、所示：表关于的模糊规则（）软件绘制模糊逻辑部分的输入输出三维曲面如图、所示。：三蔷。”图输出脒，的三维曲面对于四旋翼飞行器的横滚角、偏航角控制的模糊变量隶一委。一直世拍拣基警图输出从的三维曲面图正弦响应仿真结果属函数和模糊规则的建立方法均与俯仰角的相类似，在此不一一描述。宽为，幅值为的脉冲干扰，两种控制器的仿真测试结果如

9、图所示。模糊唧控制器仿真在确定了系统控制的模糊规则后，对整个系统进行了仿真实验。选取四旋翼飞行器的俯仰姿态角作为仿真控制对象，在阶跃输入条件下的仿真结果如图所示。刮嚣婚垂一时间以图脉冲干扰下正弦响应仿真结果时间如由图可以看出，在干扰相同的情况下，模糊控制器受干扰影响的幅度变化更小，模糊控制器的的抗干扰能力强于常规控制器。图阶跃响应仿真结果由图可以看出，在阶跃输入下模糊控制器和常规控制器的静态误差都很小，当误差带取为的时候，常规控制下系统调节时间约为，而模糊控制下系统的调节时间约为。由此得到，在模糊控制下系统的响应速度更快。并且在模糊控制器作用下系统的超调量要比常规控制器作用下系统超调量明显小。

10、由此得到，在模糊控制器作用下系统的动态性能更好。正弦输入下，两种控制器的仿真结果如图所示。由图可以看出，常规控制器的控制精度为大于，而模糊控制器的控制精度为左右，后者控制精度明显高于前者。模糊控制器具有更好的稳态性能。为验证模糊控制器和常规控制器的抗干扰能力强弱，正弦输入条件下，在的时候加载周期为，脉从以上各仿真结果可知，模糊控制器较常规控制器的系统响应速度更快、超调量更小，控制精度更高，抗干扰能力更强，控制效果更好，因此模糊控制器能更好的实现对四旋翼飞行器的控制。验证仿真结果为了验证模糊控制器的实际性能，搭建了物理实验平台。平台采用美国公司的作为控制核心进行语言编程，无刷直流电机选用朗宇配合

11、商用电调给系统提供动力，通过接口的数字式陀螺仪加速度计模块实时检测系统姿态，模拟接口的超声波模块检测四旋翼飞行器的高度，姿态控制部分采用模糊控制器，使用模块对系统进行遥控操作。平台实际效果如图所示，实验结果表明，模糊控制器能对四旋翼飞行器一一万方数据进行有效控制。参考文献：岳基隆，张庆杰，朱华勇微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析电光与控制，（）：聂博文，等微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术电光与控制，（）：一李俊，李运堂四旋翼飞行器的动力学建模与控制辽宁工程技术大学学报，（）：一，叫晒【）【，（）：朱君四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究内蒙古科技大学硕士学位论文，孙怡基于模糊

12、控制的多电机同步控制华南理工大学硕士学位论文，图物理平台实际效果田凡电液伺服系统模糊控制仿真与试验研究太原理工大学硕士学位论文，刘朝英，宋哲英，宋雪玲在模糊控制系统仿真中的应用计算机仿真，（）：一结论本文通过在“环境下建立四旋翼飞行器的非线性模型，分别设计了模糊控制器模型和常规控制器模型，并在软件平台下对两种控制器的系统控制效果进行了软件仿真，仿真结果表明模糊控制器在动态性能及稳态性能上均优于常规控制器，模糊控制器能更好的实现对四旋翼飞行器的控制。发等。作者简介张镭（一），男（满族），河南省开封市人，副教授，硕士研究生导师，研究领域为仿真技术，控制系统软件开发，电液伺服系统的控制等。李浩（一）

13、，男（汉族），湖南省邵阳市人，硕士研究生，主要研究领域为智能控制，控制系统开（上接第页）航姿系统测姿算法研究传感技术学报，（）：一张丽杰，常估微小型航姿测量系统及其数据融合方法中国惯性技术学报，（）：，“憾晡丽谢作者简介吴中华（一），男（汉族），河南省焦作市人，硕研究生，主要研究领域为飞行器控制与仿真，导航制导与控制。玛，（）：汪芳，朱少华，雷宏杰基于卡尔曼滤波的数字式捷联航姿系统算法设计中国惯性技术学报，（）：，贾秋玲（一），女（汉族），河南人，副教授，硕士研究生导师，主要研究领域为飞行器建模与仿真，鲁棒控制，导航制导与控制等。，叫如珊鸵璐踮，（）：严恭敏，严卫生，徐德民简化在大失准角初始对

14、准中的应用中国惯性技术学报，（）：“汪芳，朱少华，雷宏杰基于卡尔曼滤波的数字式捷联航姿系统算法设计中国惯性技术学报，（）：付伟（一），男（汉族），陕西省西安市人，硕士研究生，主要研究领域为飞行器控制与仿真，导航制导与控制。王靖宇（一），女（汉族），陕西省西安市人，硕士研究生，主要研究领域为飞行器控制与仿真，导航制导与控制。一万方数据四旋翼飞行器模糊PID姿态控制作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：张镭， 李浩， ZHANG Lei， LI Hao河南大学物理与电子学院,河南开封,475004计算机仿真Computer Simulation2014,31(8)1.岳基隆;张庆杰;朱华勇

15、 微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析 2010(10)2.聂博文 微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术 2007(06)3.李俊;李运堂 四旋翼飞行器的动力学建模与PID控制 2012(01)4.George Limnaios;Nikos Tsourveloudis Fuzzy Logic Controller for a Mini Coaxial Indoor Helicopter 2012(65)5.朱君 四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究 20126.孙怡 基于模糊PID控制的多电机同步控制 20127.刘朝英;宋哲英;宋雪玲 MATLAB在模糊控制系统仿真中的应用 2001(03)8.田凡 电液伺服系统模糊PID控制仿真与试验研究 2010