【正文】 ........................................ 15 模糊 PID 控制原理 ......................................................................................................................... 15 姿態(tài)穩(wěn)定回路的模糊 PID 控制器設(shè)計(jì) ........................................................................................ 16 構(gòu)建模糊 PID 控制器步驟 ................................................................................................. 17 基于 Matlab 的姿態(tài)角控制算法的仿真 ............................................................................ 22 本章小結(jié) ........................................................................................................................................ 25 第四章 四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .................................................................... 25 模糊 PID 控制算法流程圖 ............................................................................................................ 25 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 ..................................................................................................................... 26 本章小結(jié) ........................................................................................................................................ 27 第五章 總結(jié)與展望 ................................................................................................................ 28 總結(jié) ................................................................................................................................................ 28 展望 ................................................................................................................................................ 28 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 28 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 第一章 概述 有史以來(lái)，人類(lèi)一直有一個(gè)夢(mèng)想，那就是可以像藍(lán)天上自由翱翔的鳥(niǎo)兒一樣。為了實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想，很多人不懈的努力，為此，有的甚至用 自己寶貴的生命付出代價(jià)。據(jù)史料記載，歷史上第一個(gè)嘗試飛天的人，是我國(guó)明朝時(shí)期一位名叫萬(wàn)戶的士大夫。萬(wàn)戶的想法是，將火箭綁在椅子上提供推力，并且兩只手拉著風(fēng)箏，提供牽引力。不幸的是，萬(wàn)戶操作失誤，火箭中途爆炸，萬(wàn)戶為此付出了生命。萬(wàn)戶雖然失敗了，但是他這大膽的舉動(dòng)，極大的推動(dòng)了人類(lèi)對(duì)飛行的探索。 人類(lèi)真正將飛天夢(mèng)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)是在 1904 年：美國(guó)的萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)。在這之后，隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，人類(lèi)對(duì)于飛行器的研制開(kāi)發(fā)工作更是得到了飛速進(jìn)步。由之前的飛行員駕駛發(fā)展為無(wú)人駕駛，固定翼發(fā)展為旋翼式。這些結(jié)構(gòu)的改 變，大大提高了飛行器的性能，并使飛行器的應(yīng)用范圍變得更加廣泛。四旋翼飛行器作為無(wú)人機(jī)的一種，因其優(yōu)良的性能和廣泛的適用性，漸漸成為近幾年的熱門(mén)。 課題背景及意義 無(wú)人飛行器（ Unmanned Aerial Vehicle,UAV)是指無(wú)需駕駛員在機(jī)體內(nèi)操作，通過(guò)無(wú)線電遙控或自身控制程序，利用空氣動(dòng)力承載飛行并可回收重復(fù)使用的飛行器。當(dāng)無(wú)人飛行器第一次出現(xiàn)時(shí)是針對(duì)防空火炮部隊(duì)進(jìn)行打靶的靶機(jī)。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后，由于無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)爭(zhēng)中出色的表現(xiàn)，無(wú)人機(jī)的研發(fā)工作在世界各國(guó)都開(kāi)始引起重視，先進(jìn)的無(wú)人機(jī)可以攜帶 各種探測(cè)、檢測(cè)設(shè)備，以執(zhí)行偵察與監(jiān)視任務(wù)，甚至可以裝備攻擊型武器執(zhí)行打擊任務(wù)。 無(wú)人飛行器按旋翼形式分為兩種是固定翼和旋翼式，旋翼式無(wú)人機(jī)存在多方面的優(yōu)勢(shì)和固定翼無(wú)人機(jī)相比。本論文主要研究小型四旋翼式無(wú)人機(jī)。小型四旋翼無(wú)人飛行器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的飛行器。它是一種電動(dòng)的、能夠垂直起降的多旋翼式遙控自主飛行器，屬于非共軸式碟形飛行器。與固定翼飛行器相比，四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中通過(guò)改變四個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)改變飛行器的姿態(tài)，而不需要調(diào)整螺旋槳傾角，因此結(jié)構(gòu)緊湊，操控簡(jiǎn)單。四旋翼飛行器的四只旋翼對(duì)稱(chēng)分布，產(chǎn)生的反扭力矩相互抵消，因此不需要額外的反扭矩尾槳。與常規(guī)布局的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，成本較低。其四個(gè)螺旋槳對(duì)稱(chēng)分布，使得四旋翼飛行器的機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)，靜態(tài)盤(pán)旋的穩(wěn)定性更好，也更容易實(shí)現(xiàn)機(jī)型的微小型化。這些優(yōu)點(diǎn)決定了四旋翼無(wú)人飛行器可以用于執(zhí)行某些特殊任務(wù)。如航拍、考古、電力線檢測(cè)、資源勘探、大氣監(jiān)測(cè)、邊境巡邏、交通監(jiān)控、災(zāi)情監(jiān)視、反恐偵查、緝毒緝私等，具有良好的民用和軍事前景。 四旋翼飛行器是一個(gè)多輸入多輸出的非線性控制系統(tǒng)，由于不同于傳統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)，因此系統(tǒng)建模也相對(duì)復(fù)雜，由 于結(jié)構(gòu)的特殊性其對(duì)控制算法的要求也相對(duì)較高。四旋翼飛行器是一個(gè)多學(xué)科融合的綜合體，涉及動(dòng)力、慣性、控制、檢測(cè)等學(xué)科。近幾年來(lái)，隨著材料學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、高性能微型傳感器及飛行控制理論的不斷發(fā)展，四旋翼飛行器獲得了日新月異的進(jìn)展，并且展現(xiàn)出了巨大的商業(yè)潛力。同時(shí)，由于四旋翼飛行器能夠在三維空間中運(yùn)動(dòng)，為機(jī)器人提供了良好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，在路徑規(guī)劃、三維場(chǎng)景重構(gòu)等領(lǐng)域具有較高科研價(jià)值。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀 四旋翼飛行器的研究 工作 可以追溯到 20 世紀(jì)初，在 1907 年 ， 法國(guó)科學(xué)家 Charles Richet 的指導(dǎo)下， Breguet 兄弟 生產(chǎn) 出了第一架旋翼式直升機(jī)，命名為 BreguetRichet Gyroplane 旋翼機(jī) 1 號(hào)。Breguet 兄弟制作出的這架飛機(jī)機(jī)身使用 鋼制的管子， 焊接 成對(duì)稱(chēng)的十字交叉結(jié)構(gòu)作為支架， 在十字形結(jié)構(gòu)的四個(gè)端點(diǎn) 位置 分別安裝了四對(duì) 米長(zhǎng)的正反旋轉(zhuǎn)螺旋槳，四對(duì)螺旋槳由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。螺旋槳采用共軸反旋式結(jié)構(gòu)， 從而很好的 相互抵消反扭矩。駕駛員坐在機(jī)身 的 中央 來(lái) 控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)，而旋翼需要地面人員輔助控制實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。旋翼機(jī) 1 號(hào)進(jìn)行 了 多次的飛行試驗(yàn)，而最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不理想，但是這種同時(shí)使用正 反旋翼的設(shè)計(jì)思想為后來(lái)飛行器的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路，也為現(xiàn)代四旋翼飛行器的發(fā)展提供了基本雛形。 在此后的一段時(shí)間里 ， 許多科學(xué)家 先后 設(shè)計(jì)制造了許多改進(jìn)的四旋翼飛行器，但都由于不能良好的控制其穩(wěn)定飛行而曇花一現(xiàn)。在 之后的很長(zhǎng) 一段時(shí)間里，四旋翼飛行器 沒(méi)有做出顯著的進(jìn)步 到了二十一世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及各種新型控制器、傳感器的出現(xiàn)， 四旋翼飛行器的研究再次進(jìn)入人們的視野。目前，世界上的各大科研機(jī)構(gòu)和高校對(duì)四旋翼飛行器的研究主要可分為以下三類(lèi)： 遙控航模四旋翼飛行器 小型四旋翼飛行器 微型 四旋翼飛行器 遙控航模四旋翼飛行器的研發(fā)具有標(biāo)志性的是美國(guó) Dargnflyer 公司研制的 Dargnflyer 系列四旋翼飛行器，如圖 所示。該系列四旋翼飛行器主要使用碳纖維材料制作，通過(guò)壓電晶體陀螺儀作為姿態(tài)穩(wěn)定傳感器， 具有自動(dòng)平衡及定點(diǎn)懸浮功能。還針對(duì)不同攝像設(shè)備設(shè)計(jì)了支架，是 航拍 界的不二選擇 。另外 Parrot 公司制作的 飛行器也是另一款非常 具 有代表性 的 遙控四旋翼飛行器。如圖 所示。 可 借助機(jī)載 wifi 系統(tǒng)，通過(guò) iPhone、 iPod touch 或 iPad 遠(yuǎn)程控 制，使用 MEMS 加速度計(jì) （微機(jī)電系統(tǒng)） 、陀螺儀傳感器和超聲波測(cè)距傳感器，并配備多個(gè)傳感器，多個(gè)捕獲器、廣角攝像頭、高速攝像頭和機(jī)載控制器相結(jié)合，使 可以簡(jiǎn)單輕松地 進(jìn)行飛行操縱。 圖 DargnflyerX4 四旋翼飛行器 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 圖 四旋翼飛行器 在小型和微型四旋翼飛行器領(lǐng)域，許多相關(guān)的科研項(xiàng)目 在 許多高校和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)展，主要包括四旋翼飛行器 的 系統(tǒng)建模和控制策略的研究以及基于四旋翼飛行器實(shí)現(xiàn)任務(wù)的功能。美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué) GRASP 實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種 可以 在室內(nèi)進(jìn)行編 隊(duì)飛行的四旋翼無(wú)人飛行器， 在 這些飛行器上都安裝有光源，通過(guò)安裝在室內(nèi)的一組攝像頭進(jìn)行拍攝，確定飛行器的位置并對(duì)其進(jìn)行編隊(duì)控制 。如圖 所示。 圖 賓夕法尼亞大學(xué)的四旋翼編隊(duì) 麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一款 能夠 在室內(nèi)進(jìn)行定位、地圖繪制和壁障的四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)激光雷達(dá)對(duì)周?chē)h(huán)境進(jìn)行測(cè)量， 可以 自動(dòng)生成室內(nèi) 的 三維地圖數(shù)據(jù)，并根據(jù)周?chē)h(huán)境進(jìn)行自主壁障和路徑規(guī)劃，可以用于危險(xiǎn)環(huán)境的初步探測(cè)以及人員的搜救。 如圖 所示。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 圖 麻省理工大學(xué)的四旋翼飛行器 德國(guó)在四旋翼飛行器的研究 成果 也具 全球領(lǐng)先 的水平 ，德國(guó)的 MICRODRONES 公司推出了一款四旋翼飛行器 MD4200。這個(gè)飛行器 機(jī)體和云臺(tái)完全 采用 碳纖維材料制造，擁有更輕的重量和更高的強(qiáng)度。 使用獨(dú)特的盤(pán)式直流無(wú)刷 直驅(qū) 電機(jī)，具有非常高的工作效率 和非常小的噪音。 使用高性能鋰電池供電，且 功耗很低 ，具有較長(zhǎng)的 續(xù)航 時(shí)間。飛行器安裝有 GPS 定位系統(tǒng)和攝像設(shè)備，能夠在室內(nèi)和室外執(zhí)行 自動(dòng)駕駛、 航拍和定點(diǎn)觀測(cè) 等 任務(wù)。 如圖 所示。 圖 MD4200 四旋翼飛行器 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 在微型四旋翼飛行器 研究 領(lǐng)域中具有代表性的是斯坦福大學(xué)的 Mesicopter 項(xiàng)目， 該 項(xiàng)目 是在國(guó)家航空航天局 (nasa)的支持下，為研究微型旋翼飛行器技術(shù)而設(shè)計(jì)的，斯坦福大學(xué)研究小組 為四旋翼飛行器的研究提供了一種獨(dú)特的 思維方式 。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)微型四旋翼飛行器，如圖 所示，Mesicopter 是一個(gè) 機(jī)身尺寸僅為 1616mm 的飛行器， 它有四個(gè)螺旋槳， 使用 四個(gè) 直徑約 3mm 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)螺旋槳直徑為 ，厚度僅為 。 圖 Mesicopter 的微型四旋翼飛行器 目前， 我國(guó) 對(duì)于四旋翼飛行器的研究還處于 初級(jí) 階段，國(guó)防科技大學(xué) ， 上海交通大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，哈爾濱 工業(yè)大學(xué) ， 天津大學(xué)，中南大學(xué) ，北京航空航天大學(xué) 等幾所院校已經(jīng) 開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域 的 研究工作，并且取得了一定成果。 提出了很多飛行器的控制算法，并且應(yīng)用到自主研制的飛行器中。同時(shí)，對(duì)于硬件系統(tǒng)的研究，對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究也取得了不錯(cuò)的成績(jī)。 四旋翼飛行器的關(guān)鍵技術(shù) 從目前的研究狀況分析，四旋翼飛行器正朝著智能化和小型化的方向發(fā)展。雖然四旋翼飛行器的技術(shù)逐漸走向成熟，但要想要讓四旋翼飛行器從實(shí)驗(yàn)室走到實(shí)際生活中，仍有一些技術(shù)難題需要解決。下面，本文簡(jiǎn)單介紹四旋翼飛行器的的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無(wú)人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 數(shù) 學(xué)模型 研究四旋翼飛行器是以四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的。四旋翼飛行器是具有四個(gè)輸入六個(gè)輸出下的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（獨(dú)立控制變量的數(shù)量小于系統(tǒng)自由度數(shù)量的一類(lèi)非線性系統(tǒng)）。由于飛行器系統(tǒng)的高度非線性，多目標(biāo)控制和控制量是有限的，且易受到自身原因和外界干擾等，這是難以建立準(zhǔn)確和可靠的數(shù)學(xué)模型的。因此，建立飛行器準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型對(duì)控制工作特別重要。 控制算法 四旋翼飛行器的強(qiáng)耦合、不穩(wěn)定的動(dòng)力特性是姿態(tài)控制方面困擾無(wú)數(shù)研究人員的難題。在飛行中，控制