【正文】 模糊 PID 控制器的比例部分是對(duì)角速度進(jìn)行積分得到的角度。 圖 38 模糊 PID 控制器階躍響應(yīng)仿真結(jié)果 從圖 38 中可以看出，系統(tǒng)階躍響應(yīng)上升時(shí)間為 ，沒有產(chǎn)生超調(diào)，調(diào)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(hào)，如下圖 34 所示。比例因子的取值大小可由模糊論域與實(shí)際論域的范圍決定，具體計(jì)算公式如下： nuK? （ 36） 式中： K 代表比例因子； u 為實(shí)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(dāng)系統(tǒng)的偏差及偏差的變化率均為中等時(shí)，在力求迅速減小偏差的同時(shí)，同樣應(yīng)該保證系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)較大的超調(diào)作用，因此， Kp應(yīng)該取比較小的值，同時(shí) Ki和 Kd 也應(yīng)該取大小適中的值，不能取得太大或太小，否則均會(huì)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(duì)于模糊控制器來說，輸入信號(hào)一般選擇為三個(gè)姿態(tài)角的偏差及偏差變化率，輸出一般并不直接設(shè)定為控制器的參數(shù) Kp、 Ki、 Kd，而是選擇其三個(gè)參數(shù)的變化率，即 ? Kp、 ? Ki、 ? Kd。不但動(dòng)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(lǐng)域中最具有實(shí)際意義的一種控制方法，對(duì)控制理論的發(fā)展的意義十分長遠(yuǎn)。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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shè)計(jì) 15 本章小結(jié) 本章介紹了四旋翼飛行器的概念，總結(jié)了四旋翼飛行器與其他無人飛行器不同方面的特點(diǎn)，并從 力學(xué)的角度分析了四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)原理，結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律和歐拉方程計(jì)算出了四旋翼飛行器數(shù)學(xué)模型，為后面控制算法的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 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(shè)計(jì) 13 牛頓第二定律構(gòu)建的，針對(duì)四旋翼飛行器平移運(yùn)動(dòng)的平移方程， HM ?? 是歐拉方程，是描述剛體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)方程。 載體坐標(biāo)系即 Supporter(OXYZ)，簡寫為 S(OXYZ)，該坐標(biāo)系以四旋翼飛行器的重心為原點(diǎn)， 1號(hào)和 3 號(hào)螺旋槳所在的 橫梁代表的軸為 Y軸， 2號(hào)和 4 號(hào)螺旋槳所在的橫梁代表的軸為 X軸，規(guī)定由 4 號(hào)螺旋槳指向 2 號(hào)螺旋槳的方向?yàn)?X軸的正方向，由 3 號(hào)螺旋槳指向 1號(hào)螺旋槳的方向?yàn)?Y 軸的正方向， Z 軸以豎直向上為正方向。同理， 1 號(hào)和 3號(hào)螺旋槳同時(shí)加速 ,2 號(hào)和 4 號(hào)螺旋槳轉(zhuǎn)速變小，則四旋翼飛行器右旋（見圖 25b）。對(duì)俯仰角進(jìn)行控制時(shí)要保持 2號(hào)和4 號(hào)螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 3 號(hào)電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，即增大 3 號(hào)螺旋槳的升力， 1 號(hào)電機(jī)減速旋轉(zhuǎn)，即減小 1號(hào)螺旋槳的升力，這樣使得 3 號(hào)電機(jī)產(chǎn)生的力矩大于 1 號(hào)電機(jī)產(chǎn)生的力矩，這樣就會(huì)使得四旋翼飛行器沿著 2 號(hào)和 4 號(hào)螺旋槳所在橫梁旋轉(zhuǎn)，但應(yīng)注意轉(zhuǎn)速增大和減小的幅度應(yīng)該相同，這樣能保證扭矩總和不變，仍能和 2號(hào)與 4 號(hào)螺旋槳產(chǎn)生的扭 矩抵消，這樣四旋翼飛行器就會(huì)前傾（見圖 23a）。通過調(diào)節(jié)每個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使得升力發(fā)生變化，然后使飛行器的受力改變，即可調(diào)節(jié)四旋翼飛行器的飛行姿 態(tài)。一些更加先進(jìn)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(shè)備等，來實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的其他功能。 本章小結(jié) 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(nèi)外飛行器的研究現(xiàn)狀以及需要解決的難題。 動(dòng)力與能源問題 目前四旋翼飛行器的能源供應(yīng)主要來源于機(jī)載鋰電池。在實(shí)踐中，因?yàn)橛邢薜乃男盹w行器主控芯片運(yùn)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(qiáng)耦合、不穩(wěn)定的動(dòng)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(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。 使用獨(dú)特的盤式直流無刷 直驅(qū) 電機(jī)，具有非常高的工作效率 和非常小的噪 音。 可 借助機(jī)載 wifi 系統(tǒng)，通過 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 可以簡單輕松地 進(jìn)行飛行操縱。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。 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。小型 四旋翼無人飛行器是一種結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù) ................................................................................................. 5 數(shù)學(xué)模型 ............................................................................................................... 6 控制算法 ............................................................................................................... 6 電子 技術(shù) ............................................................................................................... 6 動(dòng)力與能源問題 ..................................................................................................... 6 本文主要內(nèi)容 .................................................................................................................. 6 本章小結(jié) .......................................................................................................................... 7 第二章 四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)原理及 數(shù)學(xué)模型 ...................................................................... 7 四旋翼飛行器簡介 ............................................................................................................ 7 四旋翼飛行器的運(yùn)動(dòng)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(xué)模型 ................................................................................................ 11 坐標(biāo)系建立 ............................................................................................................ 11 基于牛頓 歐拉公式的四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型 ......................................................12 本章小結(jié) ........................................................................................................................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(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 .............................................................