飛行器自主控制技術(shù)研究,飛行器,自主,控制,技術(shù)研究 飛行器自主控制技術(shù)研究飛行器自主控制技術(shù)研究明德學(xué)院明德學(xué)院 自動(dòng)化系自動(dòng)化系20142014年年6 6月月作 者：張黎翔導(dǎo) 師：邢超報(bào)告提綱 1.選題背景2.完成工作3.研究?jī)?nèi)容4.論文框架5.動(dòng)力學(xué)建模6.算法設(shè)計(jì)與仿真7.總結(jié)選題背景隨著自動(dòng)控制技術(shù)和智能決策技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)人機(jī)憑借其低成本，零傷亡，可重復(fù)使用和高機(jī)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，成為了當(dāng)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要作戰(zhàn)工具之一，有著不可替代的作用旋翼式飛行器作為一種無(wú)人機(jī)，其起飛和降落所需空間較少，在障礙物密集環(huán)境下的操控性較高，以及飛行器姿態(tài)保持能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在民用和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景近年來(lái)對(duì)四旋翼飛行器的研究成果較多，融合了自動(dòng)控制、傳感以及計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多技術(shù)，成為了未來(lái)無(wú)人機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)，并成為目前重點(diǎn)的研究對(duì)象四旋翼飛行器特點(diǎn)四旋翼飛行器與普通旋翼飛行器相比，具有以下特點(diǎn)：1）體積小，適合在多種地形使用，起飛、發(fā)射簡(jiǎn)單。并且擁有較小重、有良好的隱蔽性能2）低空飛行，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可進(jìn)行360度定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎，能夠執(zhí)行特種任務(wù)，飛行高度從幾米到幾百米，飛行速度從每秒幾米到幾十米，能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，能夠?qū)ΚM小地區(qū)探測(cè)，并提供實(shí)時(shí)精確信息3）機(jī)械組成簡(jiǎn)單，便于維護(hù)、拆卸，而且費(fèi)用低 完成工作完成工作研究分析了四旋翼無(wú)人飛行器的產(chǎn)生和發(fā)展過程，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及其主要的特點(diǎn)，對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述和分析，指明了研究過程具有重要意義分析了四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式以及垂直運(yùn)動(dòng)、俯仰運(yùn)動(dòng)等狀態(tài)的工作原理研究了四旋翼飛行器的飛行原理和實(shí)體模型基礎(chǔ)上，做出基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型通過Matlab中的Simulink模塊，分別對(duì)PI控制算法、PID控制算法和積分分離PID控制算法進(jìn)行了仿真研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容對(duì)四旋翼無(wú)人飛行器進(jìn)行力學(xué)分析，并對(duì)四旋翼的建模和控制方法做了研究。在此基礎(chǔ)上建立四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)飛行器進(jìn)行力學(xué)分析選取四旋翼無(wú)人飛行器在運(yùn)動(dòng)過程中的受力分析，完成對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型的建立，并針對(duì)現(xiàn)有四旋翼無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)，建立機(jī)體坐標(biāo)系，為四旋翼無(wú)人飛行器的飛行控制器的設(shè)計(jì)提供了可靠的控制模型研究基于PID控制理論的四旋翼飛行器的姿態(tài)控制算法，利用建立的四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，仿真驗(yàn)證算法的有效性論文框架第一章 緒論第二章 四旋翼飛行器硬件結(jié)構(gòu)第三章 四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)模型第四章 四旋翼飛行器控制算法研究第五章 總結(jié) 動(dòng)力學(xué)建模研究四旋翼無(wú)人飛行器，首先要建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。介紹四旋翼無(wú)人飛行器建模的基本方法，選取影響飛行器運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵受力和力矩，根據(jù)物理定律建立飛行器的動(dòng)力學(xué)方程模型?？刂破鞯姆治雠c設(shè)計(jì)需要將實(shí)際系統(tǒng)抽象成數(shù)學(xué)模型，先在理論上針對(duì)模型研究與設(shè)計(jì)。用一組能夠盡可能簡(jiǎn)單、全面的表達(dá)、體現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)各項(xiàng)性能、參數(shù)、特點(diǎn)的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)表達(dá)實(shí)際系統(tǒng)，建立模型。算法設(shè)計(jì)對(duì)四旋翼飛行器做控制仿真，可以驗(yàn)證飛行器的模型的正確性和測(cè)試控制算法的可靠性。飛行器的控制仿真采用MATLAB/SIMULINK作為仿真工具?？刂扑惴ǎ篜I、PID、積分分離 PID算法流程算法流程積分分離 PID 控制算法的程序流程圖采用偏航角度和位置作為輸入數(shù)據(jù) PI算法1）比例調(diào)節(jié)作用，對(duì)四旋翼無(wú)人飛行器進(jìn)行飛行觀測(cè)，四旋翼無(wú)人飛行器能夠抵抗外界的干擾力矩的作用，只要手快速的嘗試改變四旋翼無(wú)人飛行器的角度狀態(tài)，四旋翼無(wú)人飛行器就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抵抗力矩。2）積分調(diào)節(jié)作用，對(duì)陀螺儀角速度的積分得到實(shí)際四旋翼無(wú)人飛行器旋轉(zhuǎn)的角度，如果四旋翼無(wú)人飛行器有一個(gè)傾斜角度，那么四軸就會(huì)自己進(jìn)行調(diào)整，直到四軸的傾角為零，它所產(chǎn)生的抵抗力是與角度成正比的 PI算法仿真結(jié)果不加控制器時(shí)系統(tǒng)脈沖響應(yīng)不加控制器時(shí)系統(tǒng)脈沖響應(yīng) 加控制器時(shí)系統(tǒng)脈沖響應(yīng) PID算法1）比例調(diào)節(jié)作用，對(duì)四旋翼無(wú)人飛行器進(jìn)行飛行觀測(cè)，比照慣性坐標(biāo)系，當(dāng)出現(xiàn)角度偏差時(shí)，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生作用，將角度向著零點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人飛行器的穩(wěn)定飛行，比例系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使四旋翼無(wú)人飛行器穩(wěn)定性下降2）積分調(diào)節(jié)作用，是使四旋翼無(wú)人飛行器消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。即使有一個(gè)小的角度變化，通過長(zhǎng)時(shí)間的積分作用都能夠顯現(xiàn)出來(lái)，對(duì)四旋翼無(wú)人飛行器的姿態(tài)變化產(chǎn)生影響，積分時(shí)間常數(shù)T，T越小，積分作用就越強(qiáng)。反之T大，則積分作用弱，積分調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，但實(shí)現(xiàn)無(wú)差姿態(tài)調(diào)節(jié)是必須的。3）微分調(diào)節(jié)作用，反映四旋翼無(wú)人飛行器偏航角度偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見角度變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的超前控制，在偏航角度偏差還沒有形成之前，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差的消除。因此，改善四旋翼無(wú)人飛行器的動(dòng)態(tài)性能。PID算法仿真結(jié)果角度階躍響應(yīng)曲線仿真圖位移階躍響應(yīng)曲線仿真圖 積分分離積分分離PIDPID算法算法1）當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度2）當(dāng)四旋翼無(wú)人飛行器偏航角度有較大偏差時(shí)采用PD控制，使得飛行器快速到達(dá)給定值位置，當(dāng)在給定值范圍內(nèi)時(shí)，采用PID控制可以有效的消除四旋翼無(wú)人飛行器的偏航角度靜差，實(shí)現(xiàn)四旋翼無(wú)人飛行器的穩(wěn)定飛行積分分離積分分離PIDPID算法仿真積分分離 PID位移階躍響應(yīng)曲線仿真圖 總結(jié)通過對(duì) PID 飛行控制算法進(jìn)行 Matlab 仿真可知，四旋翼無(wú)人飛行器在 PI、PID、積分分離 PID 控制算法下是可控的，通過仿真觀察能夠基本達(dá)到穩(wěn)定飛行的目的。四旋翼無(wú)人飛行器能夠自主的穩(wěn)定飛行，在實(shí)際檢測(cè)系統(tǒng)中還是容易受到干擾，所以還是需要必要的控制。再驗(yàn)證了控制算法的有效性。敬請(qǐng)各位老師批評(píng)指正！