【正文】 初步探測以及人員的搜救。 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 6 數(shù)學模型 研究四旋翼飛行器是以四旋翼飛行器的動力學數(shù)學模型為基礎的。傳感器的測量精度，微處理器的處理速度，對飛行器的控制效果有非常大的影響，因此對電子元器件也有很高的要求。本文利用 Matlab/simulink 對控制算法進行仿真。無刷直流 電機安裝在螺旋槳下面，固定 在 機身桿上。對 橫滾 角進行控制時 要 保持 1 號和 3 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 2 號 電機 加速旋轉(zhuǎn) ，即增大 2 號螺旋槳的升力， 4 號 電機 減速 旋轉(zhuǎn) ， 即減小 4 號螺旋槳的升力， 這樣使得 2 號電機產(chǎn)生的力矩大于 4 號電機產(chǎn)生的力矩，這樣就會使得四旋翼飛行器沿著 1 號和 3 號螺旋槳所在橫梁旋轉(zhuǎn)， 但應注意轉(zhuǎn)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 1 號與 3 號螺旋槳產(chǎn)生的扭矩抵消 ，這樣 四旋翼飛行器 就會左 傾（見圖 24a） 。 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 12 圖 26 地面坐標系與載體坐標系 在地面坐標系中對飛行器的位置和姿態(tài)進行定義，而四旋翼飛行器的自身的傳感器數(shù)據(jù)是在載體坐標系獲得的。新的控制算法同時具備了兩種控制算法的優(yōu)點，具有良好的控制特性，已經(jīng)被廣泛的使用。 在傳統(tǒng)的控制理論中，通常需要根據(jù)一個明確的數(shù)學模型來完成系統(tǒng)控制器的設計。通常情況下使用系統(tǒng)的誤差信號作為模糊控制器的一個輸入量，模糊控制過程可以概括如下：首先將系統(tǒng)的控制誤差信號的精確量利用模糊語言進行模糊化處理，得到誤差的模糊語言表示形式；然后根據(jù)模糊控制規(guī)則對誤差進行模糊推理，進而得到控制量的模糊語言表示；最后將模糊化的控制量進行反模糊化處理，得到最終精確的控制量。 積分系數(shù) Ki 的整定一般是將 Ki 值由 0 逐漸增大，這樣就是逐漸增強系統(tǒng)的積分作用，使系統(tǒng)的偏差逐漸減小直至消失，需要注意的是，系統(tǒng)的超調(diào)量會比沒有加入積分作用時變大，因此還需逐漸減小 Kp 值。 ???????????????????YRYPYRYPMMMM o toMMMM o toMMMM o toMMMM o to00004321 (38) 式中 ,Motol、 Moto Moto Moto4 分別為驅(qū)動 4 號電機的 PWM 波的比較匹配寄存器中的值 , YRP MMM 分 別為俯仰通道、滾轉(zhuǎn)通道和偏航通道模糊 PID 輸出的 PWM 占空比對應的比較匹配寄存器中的值 ,最后還應該判斷 Motol、 Moto Moto Moto4 是否在合適范圍內(nèi) :若某個值小于 0,則把該值限定為 0。根據(jù)仿真結果，得出模糊 PID 算法可以對四旋翼飛行器進行控制，并且控制效果良好。 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(chǎn)生超調(diào)，調(diào)節(jié)過程中沒有出現(xiàn)震蕩。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]。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。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。他在 1973 年發(fā)表了一篇論文，其中解釋了“語言變量”的概念。 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。 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。對俯仰角進行控制時 要 保持 2 號和4 號螺旋槳轉(zhuǎn)速不變， 3 號 電機 加速旋轉(zhuǎn) ，即增 大 3 號螺旋槳的升力， 1 號 電機 減速 旋轉(zhuǎn) ， 即減小 1號螺旋槳的升力， 這樣使得 3 號電機產(chǎn)生的力矩大于 1 號電機產(chǎn)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(zhuǎn)，但應注意轉(zhuǎn)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(chǎn)生的扭矩抵消 ，這樣 四旋翼飛行器 就會 前傾（見圖 23a） 。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。 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。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。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。 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。 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。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。本設計同時進行了 Matlab 仿真和實物控制設計，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。 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。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、檢測設備，以執(zhí)行偵察與監(jiān)視任務，甚至可以裝備攻擊型武器執(zhí)行打擊任務。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構作為支架， 在十字形結構的四個端點 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。 如圖 所示。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)）。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。通過對仿真結果的分析，可知模糊 PID 控制能實現(xiàn)對四旋翼飛行器的控制，并且在響應時間、穩(wěn)定性方面效果良好。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。 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） 。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。 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 的領域 。但在很多時候，有些控制過程的數(shù)學模型可能不存在，或者很難獲得，或者數(shù)學模型具有的高度非線性。 姿態(tài)穩(wěn)定回路的模糊 PID 控制器設計 由于四旋翼飛行器本身具有非線性、多變量且變量間互相影響等特點，傳統(tǒng)的算法控制精度不高，引入模糊 PID 來調(diào)整 PID 的參數(shù)，一般能取得更為理想的控制效果。 微分系數(shù) Kd 的整定方法與積分系數(shù) Ki 類似，也是從 0 幵始逐漸增加 Kd，在變化的過程中應該注意超調(diào)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時應該微調(diào) Kp 和 Ki 使得系統(tǒng)性能達到最佳。若某個值大于定時周期值 ,則把該值限定為定時周期值減 1。 第四章 四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)軟件設計 本文四旋翼飛行器實物選擇圓點博士開源小四軸，飛行器的飛控板芯片、陀螺儀傳感器、加速度傳感器、電子羅盤傳感器等參數(shù)及設置全部參照原設置，再此不加贅述，僅介紹模糊 PID 控制算法的設計。如圖 38 所示。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(zhuǎn)換為實際論域，該轉(zhuǎn)換比較簡單，只需與比例因子作乘法即可，這樣取值范圍轉(zhuǎn)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)。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)。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。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。 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。 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(zhuǎn)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。 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(zhuǎn)動的電機、機架和飛行控制板組成。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。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)。 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。如圖 所示。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。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。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。 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。 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。螺旋槳采用共軸反旋式結構， 從而很好的 相互抵消反扭矩。 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 4 圖 麻省理工大學的四旋翼飛行器 德國在四旋翼飛行器的研究 成果 也具 全球領先的水平 ，德國的 MICRODRONES 公司推出了一款四旋翼飛行器 MD4200。由于飛行器系統(tǒng)的高度非線性，多目標控制和控制量是有限的，且易受到自身原因和外界干擾等，這是難以建立準確和可靠的數(shù)學模型的。由于電子技術的限制，使許多理論上可行的控制算法，不能在實際中落實，使四旋翼飛行器發(fā)展的步伐受到阻礙