【正文】 模糊 PID 控制器的比例部分是對角速度進行積分得到的角度。 圖 38 模糊 PID 控制器階躍響應仿真結果 從圖 38 中可以看出，系統(tǒng)階躍響應上升時間為 ，沒有產生超調，調節(jié)過程中沒有出現(xiàn)震蕩。 在 Matlab 中鍵入 fuzzy 并回車，打開模糊推理系統(tǒng)編輯器，根據(jù)上文所述原理添加輸入和輸出信號，如下圖 34 所示。比例因子的取值大小可由模糊論域與實際論域的范圍決定，具體計算公式如下： nuK? （ 36） 式中： K 代表比例因子； u 為實際論域的范圍，具體為 [u,u]； n 代表模糊論域的范圍，具體為 [n,n]。當系統(tǒng)的偏差及偏差的變化率均為中等時，在力求迅速減小偏差的同時，同樣應該保證系統(tǒng)不會出現(xiàn)較大的超調作用，因此， Kp應該取比較小的值，同時 Ki和 Kd 也應該取大小適中的值，不能取得太大或太小，否則均會影響系統(tǒng)控制性能。隸屬度函數(shù)圖及隸屬度函數(shù)表分別如圖 32 和表 31 所示。 對于模糊控制器來說，輸入信號一般選擇為三個姿態(tài)角的偏差及偏差變化率，輸出一般并不直接設定為控制器的參數(shù) Kp、 Ki、 Kd，而是選擇其三個參數(shù)的變化率，即 ? Kp、 ? Ki、 ? Kd。不但動態(tài)系統(tǒng)適用于模糊 PID 控制器的控制，非線性系統(tǒng)的控制也適合。模糊控制作為目前智能領域中最具有實際意義的一種控制方法，對控制理論的發(fā)展的意義十分長遠。他在 1973 年發(fā)表了一篇論文，其中解釋了“語言變量”的概念。為了實現(xiàn)對四旋翼飛行器的姿態(tài)控制，人們通常情況下采用的是一種比較成熟的 PID控制器。 基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 15 本章小結 本章介紹了四旋翼飛行器的概念，總結了四旋翼飛行器與其他無人飛行器不同方面的特點，并從 力學的角度分析了四旋翼飛行器的運動原理，結合運動學中的牛頓運動定律和歐拉方程計算出了四旋翼飛行器數(shù)學模型，為后面控制算法的設計奠定了基礎。 VmF ?? 是基于模糊 PID 算法的小型四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設計 13 牛頓第二定律構建的，針對四旋翼飛行器平移運動的平移方程， HM ?? 是歐拉方程，是描述剛體旋轉運動的旋轉方程。 載體坐標系即 Supporter(OXYZ)，簡寫為 S(OXYZ)，該坐標系以四旋翼飛行器的重心為原點， 1號和 3 號螺旋槳所在的 橫梁代表的軸為 Y軸， 2號和 4 號螺旋槳所在的橫梁代表的軸為 X軸，規(guī)定由 4 號螺旋槳指向 2 號螺旋槳的方向為 X軸的正方向，由 3 號螺旋槳指向 1號螺旋槳的方向為 Y 軸的正方向， Z 軸以豎直向上為正方向。同理， 1 號和 3號螺旋槳同時加速 ,2 號和 4 號螺旋槳轉速變小，則四旋翼飛行器右旋（見圖 25b）。對俯仰角進行控制時要保持 2號和4 號螺旋槳轉速不變， 3 號電機加速旋轉，即增大 3 號螺旋槳的升力， 1 號電機減速旋轉，即減小 1號螺旋槳的升力，這樣使得 3 號電機產生的力矩大于 1 號電機產生的力矩，這樣就會使得四旋翼飛行器沿著 2 號和 4 號螺旋槳所在橫梁旋轉，但應注意轉速增大和減小的幅度應該相同，這樣能保證扭矩總和不變，仍能和 2號與 4 號螺旋槳產生的扭 矩抵消，這樣四旋翼飛行器就會前傾（見圖 23a）。通過調節(jié)每個螺旋槳的轉速，使得升力發(fā)生變化，然后使飛行器的受力改變，即可調節(jié)四旋翼飛行器的飛行姿 態(tài)。一些更加先進的四旋翼飛行器還可以安裝其他模塊，例如無線通信模塊、 GPS 模塊、攝像設備等，來實現(xiàn)更為復雜的其他功能。 本章小結 本章主要介紹了四旋翼飛行器的研究意義，及飛行器的發(fā)開制造歷史。 第 1 章介紹了研究四旋翼飛行器的研究意義，國內外飛行器的研究現(xiàn)狀以及需要解決的難題。 動力與能源問題 目前四旋翼飛行器的能源供應主要來源于機載鋰電池。在實踐中，因為有限的四旋翼飛行器主控芯片運算速度，在算法選擇方面要慎重考慮。 控制算法 四旋翼飛行器的強耦合、不穩(wěn)定的動力特性是姿態(tài)控制方面困擾無數(shù)研究人員的難題。同時，對于硬件系統(tǒng)的研究，對捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的設計研究 也取得了不錯的成績。 使用獨特的盤式直流無刷 直驅 電機，具有非常高的工作效率 和非常小的噪 音。 可 借助機載 wifi 系統(tǒng)，通過 iPhone、 iPod touch 或 iPad 遠程控制，使用 MEMS 加速度計 （微機電系統(tǒng)） 、陀螺儀傳感器和超聲波測距傳感器，并配備多個傳感器，多個捕獲器、廣角攝像頭、高速攝像頭和機載控制器相結合，使 可以簡單輕松地 進行飛行操縱。旋翼機 1 號進行 了 多次的飛行試驗，而最終實驗結果卻并不理想，但是這種同時使用正反旋翼的設計思想為后來飛行器的設計提供了新的設計思路，也為現(xiàn)代四旋翼飛行器的發(fā)展提供了基本雛形。 四旋翼飛行器是一個多輸入多輸出的非線性控制系統(tǒng)，由于不同于傳統(tǒng)的飛行器結構，因此系統(tǒng)建模也相對復雜，由于結構的特殊性其對控制算法的要求也相對較高。小型 四旋翼無人飛行器是一種結構簡單可靠的飛行器。由之前的飛行員駕駛發(fā)展為無人駕駛，固定翼發(fā)展為旋翼式。Attitude control 目錄 目 錄 摘要（中文） ...........................................................................................................................Ⅰ 摘要（英文） ...........................................................................................................................Ⅱ 第一章 概述 .............................................................................................................................. 1 課題背景及意義 ............................................................................................................. 1 四旋翼飛行器 的研究現(xiàn)狀 ................................................................................................. 2 四旋翼飛行器的關鍵技術 ................................................................................................. 5 數(shù)學模型 ............................................................................................................... 6 控制算法 ............................................................................................................... 6 電子 技術 ............................................................................................................... 6 動力與能源問題 ..................................................................................................... 6 本文主要內容 .................................................................................................................. 6 本章小結 .......................................................................................................................... 7 第二章 四旋翼飛行器的運動原理及 數(shù)學模型 ...................................................................... 7 四旋翼飛行器簡介 ............................................................................................................ 7 四旋翼飛行器的運動原理 ............................................................................................... 8 四旋翼飛行器高度控制 .......................................................................................... 8 四旋翼飛行器俯仰角控制 ....................................................................................... 9 四旋翼飛行器橫滾角控制 ....................................................................................... 9 四旋翼飛行器偏航角控制 ......................................................................................10 四旋翼飛行器的數(shù)學模型 ................................................................................................ 11 坐標系建立 ............................................................................................................ 11 基于牛頓 歐拉公式的四旋翼飛行器動力學模型 ......................................................12 本章小結 ........................................................................................................................15 第三章 四旋翼飛行器姿態(tài)控制算法研究 ............................................................................ 15 模糊 PID 控制原理 ...........................................................................................................15 姿態(tài)穩(wěn)定回路的模糊 PID控制器設計 ..............................................................................16 構建模糊 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 ........................................................................................................................25 第四章 四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)軟件設計 .................................................................... 25 模糊 PID控制算法流程圖 .............................................................