【正文】 有些控制過程的數(shù)學(xué)模型可能不存在，或者很難獲得，或者數(shù)學(xué)模型具有的高度非線性。另外人類將多種信息進行聚合處理的能力和控制時變系統(tǒng)的能力，不能被集成到單一一個控制器中。 模糊控制已成為智能自動化控制研究中最為活躍而又 成果顯著 的領(lǐng)域 。 本文采用模糊 PID 控制的控制算法對四旋翼飛行器進行控制。這兩個坐標系之間的向量轉(zhuǎn)換需要通過旋轉(zhuǎn)矩陣實現(xiàn)，假設(shè)在地面坐標系 E 下，載體坐標系原點的坐標為 ? ?zyxE ?? ，傾角為 ? ??????E ,其中 ? 是俯仰角， ? 是橫滾角，? 是偏航角。 坐標系建立 四旋翼飛行器對應(yīng)于六個自由度有六種運動方式，不難發(fā)現(xiàn)，這六種運動方式可以大致分為兩類：一類是沿著軸進行的平行運動，簡稱平動，包括垂直運動、左右運動和側(cè)向運動三種；另一類是繞著某個軸進行的旋轉(zhuǎn)運動，簡稱轉(zhuǎn)動。 同理， 4 號 電機 加速旋轉(zhuǎn) 同 時 2 號 電機 減速，則四旋翼飛行器 右 傾（見圖 24b） 。如圖 22 所示，進行高度控制時：要保證四旋翼飛行器的四個螺旋槳轉(zhuǎn)速相同，當(dāng)四個螺旋槳同時加速時，螺旋槳產(chǎn)生的升力變大，當(dāng)四個螺旋槳產(chǎn)生的升力大于飛行器的重力時，四旋翼飛行器向上升高（見 a 圖）；當(dāng)四個螺旋架同時減速時，螺旋獎產(chǎn)生的升力變小，當(dāng)升力小于飛行器重力時，四旋冀飛行器在力的作用下，高 度下降（見 b 圖）；當(dāng)四個螺旋槳產(chǎn)生的升力和與飛行器的重力相等時，飛行器保持懸停狀態(tài)。機身中央是飛行器的核心部分區(qū)，安裝有：飛行控制板、電源和負載。 四旋翼飛行器簡介 四旋翼飛行器，英文又名 Quadrotor 或 Fourrotor。通過對仿真結(jié)果的分析，可知模糊 PID 控制能實現(xiàn)對四旋翼飛行器的控制，并且在響應(yīng)時間、穩(wěn)定性方面效果良好。 本文主要內(nèi)容 本文主要研究了四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)。希望微處理器的功能更強大，處理信號的速度更快；傳感器的可靠性，測量精度做出了一定的要求。因此飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計變得非常困難。四旋翼飛行器是具有四個輸入六個輸出下的欠驅(qū)動系統(tǒng)（獨立控制變量的數(shù)量小于系統(tǒng)自由度數(shù)量的一類非線性系統(tǒng)）。該項目設(shè)計了一個微型四旋翼飛行器，如圖 所示，Mesicopter 是一個 機身尺寸僅為 1616mm 的飛行器， 它有四個螺旋槳， 使用 四個 直徑約 3mm 的電機驅(qū)動，每個螺旋槳直徑為 ，厚度僅為 。 如圖 所示。還針對不同攝像設(shè)備設(shè)計了支架，是 航拍 界的不二選擇 。Breguet 兄弟制作出的這架飛機機身使用 鋼制的管子， 焊接 成對稱的十字交叉結(jié)構(gòu)作為支架， 在十字形結(jié)構(gòu)的四個端點 位置 分別安裝了四對 米長的正反旋轉(zhuǎn)螺旋槳，四對螺旋槳由一臺發(fā)動機驅(qū)動。其四個螺旋槳對稱分布，使得四旋翼飛行器的機動能力更強，靜態(tài)盤旋的穩(wěn)定性更好，也更容易實現(xiàn)機型的微小型化 。海灣戰(zhàn)爭之后，由于無人機在戰(zhàn)爭中出色的表現(xiàn)，無人機的研發(fā)工作 在世界各國都開始引起重視，先進的無人機可以攜帶各種探測、檢測設(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)。萬戶雖然失敗了，但是他這大膽的舉動，極大的推動了人類對飛行的探索。 through the simulation and realtime control verify the effectiveness of the control scheme, and this control scheme under the collection to the data input and output。 本次設(shè)計 對小型四旋翼無人直升機的研究現(xiàn)狀進行了細致、廣泛的調(diào)研，綜述了其主要分類、研究領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景，然后針對 圓點博士 的四旋翼 飛行器 實際對象，對其建模方法和控制方案進行了初步的研 究。本設(shè)計同時進行了 Matlab 仿真和實物控制設(shè)計，利用模糊 PID 算法，穩(wěn)定有效的對四旋翼飛行器的姿態(tài)進行了控制。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 四旋翼飛行器的運動原理及數(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(xué)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(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 ..............................................................................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 .................................................................... 25 模糊 PID 控制算法流程圖 ...............................................................................................25 系統(tǒng)實驗及結(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 ............................................................