【正文】 推出了一款四旋翼飛行器 MD4200。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。螺旋槳采用共軸反旋式結構， 從而很好的 相互抵消反扭矩。這些優(yōu)點決定了四旋翼無人飛行器可以用于執(zhí)行某些特殊任務。 無人飛行器按旋翼形式分為兩種是固定翼和旋翼式，旋翼式無人機存在多方面的優(yōu)勢和固定翼無人機相比。 人類真正將飛天夢想變?yōu)楝F(xiàn)實是在 1904 年：美國的萊特兄弟發(fā)明了飛機。 written by SCM fuzzy PID control algorithm, dots, Quad rotor UAV real attitude control. The design of the Matlab simulation and the physical control design, the use of fuzzy PID algorithm, the stability of the four rotor aircraft attitude control. Keywords:Quadrotor UAV。 首先，針對四旋翼飛行器的動力學特性，根據(jù)歐拉定理以及牛頓定律建立四旋翼無人直升機的動力學模型，并且考慮了空氣阻力、轉動力矩對于槳葉的影響，建立了四旋翼飛行器的物理模型；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和反復推算，建立系統(tǒng)的仿真狀態(tài)方程；在 Matlab 環(huán)境下搭建了四旋翼飛行器的非線性模型。選取四旋翼飛行器的姿態(tài)角作為控制對象，借助 Matlab 模糊工具箱設計了模糊 PID 控制器并依據(jù)專家經(jīng)驗編輯了相應的模糊規(guī)則；通過仿真和實時控制驗證了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了輸入輸出數(shù)據(jù)；利用單片機編寫模糊 PID 算法控制程序 ，實現(xiàn)對圓點博士四旋翼飛行器實物的姿態(tài)控制。Fuzzy PID。在這之后，隨著科學技術的日新月異，人類對于飛行器的研制開發(fā)工作更是得到了飛速進步。本論文主要研究小型四旋翼式無人機。如航拍、考古、電力線檢測、資源勘探、大氣監(jiān)測、邊境巡邏、交通監(jiān)控、災情監(jiān)視、反恐偵查、緝毒緝私等，具有良好的民用和軍事前景。駕駛員坐在機身 的 中央 來 控制發(fā)動機油門，而旋翼需要地面人員輔助控制實現(xiàn)穩(wěn)定。如圖 所示。這個飛行器 機體和云臺完全 采用 碳纖維材料制造，擁有更輕的重量和更高的強度。 提出了很多飛行器的控制算法，并且應用到自主研制的飛行器中。因此，建立飛行器準確的數(shù)學模型對控制工作特別重要。一些算法較易，但是控制效果較差，一些控制算法控制效果好，但是不易實現(xiàn)。因此電子技術的研究也是飛行器研究的重要組成部分。根據(jù)圓點博士小四軸飛行器提供的實物和控制平臺，設計了飛行器的控制系統(tǒng)；最后完成了軟件設計和調(diào)試。 第 5 章總結了自己所做的工作，并總結自己沒能完成的工作，和在對四旋翼飛行器的研究過程中的缺陷和不足，并規(guī)劃了下一步的工作。 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 8 圖 21 四旋翼飛行器的外形圖 一個普通的四旋翼飛行器主要由螺旋槳、帶動螺旋槳轉動的電機、機架和飛行控制板組成。 四旋翼飛行器的運動原理 四旋翼飛行器在空中的飛行方向和飛行速度都是由飛行器的傾斜角度決定的，飛行器朝哪個方向傾斜，飛行器就會向哪個方向飛行。 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 9 圖 22 四旋翼飛行器高度控制 四旋翼飛行器俯仰角控制 俯仰運動是指四旋翼飛行器以 2 號和 4 號螺旋槳所在橫梁 為軸，繞著此軸進行旋轉的運動，如23 圖所示，俯仰角控制時，將 1號和 3 號電機所在的坐標軸定義為 Y軸， 2號和 4 號電機所在的坐標軸定義為 X軸，對俯仰角的控制就是控制 Y軸繞 X軸傾斜角。 圖 24 四旋翼飛行器的俯仰角控制 四旋翼飛行器偏航角控制 偏航運動是指四旋翼飛行器繞著與四個螺旋槳所在平面垂直的軸旋轉的運動，如圖 25 所示，對偏航角控制時 ,2 號和 4 號電機同時加速，產(chǎn)生的升力與反扭矩增加， 1 號和 3 號電機轉速變小，產(chǎn)生的升力和反扭矩減小，但是要保證增大和減小的幅度相等，這樣能夠保證四旋翼飛行器受到的升力總和不變，仍等于重力，從而不會產(chǎn)生垂直升降運動，二者升力一增一減，因此能保持總量上的升力不變，由于向左的反扭矩大于向右的反扭矩，四旋翼飛行器左旋（見 ,25a）。 地面坐標系即 Earth(OXYZ)，簡寫為 E(OXYZ)，該坐標系以地面上某一固定點為坐標原點， X軸、 Y 軸、 Z 軸兩兩垂直，且規(guī)定 Z 軸以豎直向上為正方向，坐標軸方向符合右手定則。 （ ） 其中 R 為 旋 轉 矩 陣 ：?????????????????????????????????????????????c o sc o ss i nc o ss i ns i nc o sc o ss i ns i nc o sc o ss i ns i ns i nc o ss i ns i ns i nc o ss i nc o sc o ss i ns i ns i nc o sc o sc o sR （ ） 基于牛頓 歐拉公式的四旋翼飛行器動力學模型 對四旋翼飛行器構建動力學模型，需要考慮兩種運動：平移運動與旋轉運動，對這兩 種運動方式建模的理論依據(jù)是牛頓 歐拉方程： ???????HMVmF ?? （ ） 其中 F 為四旋翼飛行器受到的外力和， m 為四旋翼飛行器質(zhì)量， V 是四旋翼飛行器的飛行速度， M是四旋翼飛行器所受的力矩之和， H 是四旋翼飛行器相對于地面坐標系的相對動量矩。模糊 PID 控制具備模糊控制的靈活、適應性強的特點，又具備經(jīng)典 PID 控制結構簡單、精度高的特點。 四旋翼飛行器的控制主要包括位置控制和姿態(tài)控制，位置的改變是由于姿態(tài)的變化而產(chǎn)生的，因此控制四旋翼飛行器的姿態(tài)是控制四旋翼的關鍵。模糊邏輯是加州大學伯克利分校的 Lotfi A. Zadeh 最早在 1965年發(fā)表的一篇論文中提出的。系統(tǒng)可以通過添加新的規(guī)則來提高系統(tǒng)的控制性能或增加新的功能。模糊控制與 PID 控制結合，控制效果優(yōu)于它們單獨控制的效果。 模 糊控 制 器P I D控 制 器被 控對 象d e / d t傳 感 器e e cKp? Ki? Kd?U （ t ) 圖 31 控制系統(tǒng)圖 對于整個控制系統(tǒng)，四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)的三個姿態(tài)角是其輸入和輸出，系統(tǒng)首先通過傳感器來檢測飛行器當前的姿態(tài)角， 并與設定姿態(tài)角進行比較，得到偏差和偏差的變化率，然后將這兩個參數(shù)傳送給控制器，控制器通過計算來調(diào)整輸出的 PWM波的占空比，從而調(diào)節(jié)螺旋槳的轉速，達到控制姿態(tài)角的目的，這就是整個控制系統(tǒng)的控制思想。綜合考慮了單片機的性能以及控制算法的精度等因素，本系統(tǒng)選擇三角形函數(shù)作為隸屬度函數(shù)。此外，還應該注意削弱系統(tǒng)的積分作用，其目的是使系統(tǒng)不會出現(xiàn)較大的超調(diào)，因此 Ki的取值應該選擇比較小的值。重心法的具體計算公式如下： ?????niiiniiuuuU11)()(?? （ 35） 經(jīng)過該公式的計算，完成了對模糊控制量 U 的解模糊過程，控制量 U由模糊量變成了精確量，但是它的取值仍然屬于模糊論域的范圍，因此還需要將該控制量的取值范圍 由模糊論域轉換為實際論域，該轉換比較簡單，只需與比例因子作乘法即可，這樣取值范圍轉換為實際論域的控制量才可以直接作為 PID 控制器的參數(shù)。通過第二章的數(shù)學模型推導，本章對四旋翼飛行器進行姿態(tài)控制仿真。如圖 38 所示。模糊 PID 控制器的微分部分是陀螺儀傳感器測量出的角速度數(shù)據(jù)。模糊 PID 控制器的積分部分是對角度進 行積分得到的數(shù)據(jù)。 時，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，并且曲線穩(wěn)定后沒有出現(xiàn)震蕩。 采用三角形隸屬度函數(shù)，本文設計的模糊 PID控制器中 e 的基本論域為 {3， 2， 1， 0， 1， 2，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 23 3}， ec 的基本論域為 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}， Kp 的基本論域 {， ， ， 0， ， ， }，Ki 的基本論域 {,0,}， Kd 的基本論域 {3， 2， 1， 0， 1， 2， 3}如下圖35 所示。 綜上所述，控制量的實際輸出 1U 可表示為： KUU?1 （ 37） 由上面的建立模糊 PID 控制器的流程可以得出該控制算法的流程圖，如圖 33 所示。當偏差比較小時，應該盡量減小靜差，提高控制精度，因此應該使 Kp的取值盡量小，Ki的取值 盡量大，增強積分作用來減小偏差， Kd的取值與偏差的變化率呈負相關，變化率較大時，Kd 取值應該較小，反之則相反。 圖 32 輸入輸出信號的隸屬度函數(shù)圖 隸屬度 模 糊 等級 論域 3 2 1 0 1 2 3 NB 1 0 0 0 0 0 0 NM 0 1 0 0 0 0 0 NS 0 0 1 0 0 0 0 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 18 ZO 0 0 0 1 0 0 0 PS 0 0 0 0 1 0 0 PM 0 0 0 0 0 1 0 PB 0 0 0 0 0 0 1 表 31 隸屬度函數(shù)表 由于 PID 控制器的 Kp、 Ki、 Kd 三個參數(shù)不僅與 ? Kp、 ? Ki、 ? Kd 有關，還與初始量000 KdKiKp 、 有關，模糊控制器主要是用來調(diào)整變量 ? Kp、 ? Ki、 ? Kd，初始量 000 KdKiKp 、還需要在實驗中不斷調(diào)試，以得到合適的參數(shù)，使控制效果達到最佳狀態(tài)，其具體調(diào)整原則如下： 首先對比例增益系數(shù) Kp 進行調(diào)節(jié)。模糊控制器利用姿態(tài)角的偏差及偏差變化率，根據(jù)模糊規(guī)則、推理機以及反模糊化機制計算出 ? Kp、? Ki、 ? Kd，然后與控制器的初始參數(shù)值做運算，得出實際的 Kp、 Ki、 Kd，供 PID 控制器使用。本文研 究的四旋翼飛行器是一個非線性的參數(shù)實時變化的系統(tǒng)，因此選擇模糊 PID 控制方法對系統(tǒng)進行控制。 控制過程容易實現(xiàn)，控制方式靈活，應用領域廣泛是 PID 控制器控制過程具有的特點。語言變量的概念現(xiàn)在被稱為模糊集合的概念。 PID 控制器具有算法成熟、原理簡單、控制參數(shù)相互獨立、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，但它需要應用于一個精確模型的系統(tǒng)中，當系統(tǒng)內(nèi)部結構或者外 部環(huán)境發(fā)生變化時，控制對象和模型就會發(fā)生改變，而 PID 控制的控制參數(shù)固定，抗擾動性和適應性差，難以控制非線性、不確定的復雜系統(tǒng)。 第三章 四旋翼飛行器姿態(tài)控制算法研究 由于 PID 控制器具有其獨特的優(yōu)勢，雖然對于非線性控制系統(tǒng)控制效果不是很好，但是人們對PID 控制器的研究并沒有停步。 圖 27 四旋翼飛行器受力分析 設螺旋槳的轉速為 1? ，由前面的假設條件（ 5），則旋翼產(chǎn)生的升力為 1?b ，其屮 b 為升力系數(shù)。為了便于分析，在分析過程中，一般將四旋翼飛行器視為理想的剛體，其質(zhì)量分布處處均勾，所以飛行器的重心就是其中心，原點則在中心處。 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 11 圖 25 四旋翼飛行器的偏航角控制 四旋翼飛行器的數(shù)學模型 想要實現(xiàn)四旋翼飛行器平穩(wěn)的飛行，就需要采用合適的控制方法。同理， 1 號電機加速旋轉冋時 3 號電機減速，則四旋翼飛行器后傾（見圖 23b）。四旋翼飛行器飛行運動有六個自由度，因此對應這六個自由度，四旋翼飛行器共有六個運動方式。 四旋翼的機架呈“ X”字型對稱形狀，兩個橫梁互相垂直 ，材料是輕質(zhì)合成金屬。調(diào)研了國內(nèi)外的各個大學和研究機構對四旋翼飛行器的研究狀況。 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 7 第 2 章介紹了四旋 翼飛行器的結構和飛行原理。采用鋰電池作為能源供給不能滿足飛行器工作時間的要求，限制了飛行器的應用范圍。選擇控制算法要注意難易程度及控制算法實現(xiàn)的效果。在飛行中，控制器的性能會遇到各種各樣的干擾因素。 四旋翼飛行器的關鍵技術 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。 使用高性能鋰電池供電，且 功耗很低 ，具有較長的 續(xù)航 時間。 圖 DargnflyerX4 四旋翼飛行器 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 3 圖 四旋翼飛行器 在小型和微型四旋翼飛行器領域，許多相關的科研項目 在 許多高校和科研機構已經(jīng)開展，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現(xiàn)任務的功能。 在此后的一段時間里 ， 許多科學家 先后