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四旋翼飞行器模糊PID姿态控制
计算机仿真
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第31卷第8期
文章编号:
1006—9348(2014)08一0073一05
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:
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2014年8月
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四旋翼飞行器模糊Pm姿态控制
张镭,李浩
(河南大学物理与电子学院,河南开封475004)
摘要:
在四旋翼飞行器控制姿态优化问题的研究中,为更好的实现对四旋翼飞行器的姿态控制,在MatIab环境下利用6一DOF运动方程模块搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。
选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象,借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则;同时设计了常规PID控制器并选取了最佳的PID控制参数,对两种控制器控制下的四旋翼飞行器姿态进行了相同条件下的Madab仿真。
仿真结果表明,模糊PID控制器相比常规PID控制器具有更优良的动态性能及鲁棒性。
对实际四旋翼飞行器的姿态控制具有一定的指导意义。
关键词:
四旋翼飞行器;姿态控制;仿真
中圈分类号:
1鹃91.9文献标识码:
B
Atti由udeContr010fFour—R0torAircrafltvia
F眦zy咖
ZHANGLei.UHao
(College
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KEYWORDS:
Follr—rotoraircmft;AnitudecontIDl;Simulation
立、稳定性好等优点,但它基于系统精确模型设计,当系统内
1
引言
近年来,四旋翼飞行器因其具有垂直起降、可携带负载、
部结构或者外部环境发生变化时,容易导致控制对象和模型失配,且其控制参数固定,抗扰动性和适应性差,难以控制非线性、不确定的复杂系统pJ。
而本文提到的模糊PID控制器为非线性控制器【4J,它既保持了模糊控制算法不依赖精确模型、控制灵活快速的优点,又结合了PID控制算法静态误差小的优势,二者互补,能对非线性复杂系统实现良好的控制。
2
方便控制的特点而获得研究人员越来越多的关注。
由于这些特点的存在,四旋翼飞行器广泛应用于众多领域比如:
监控安保、搜寻营救、检测探索等等…。
但是四旋翼飞行器具有六个自由度却仅由位于十字形交叉结构末端的四个旋翼产生驱动力,是一种欠驱动、强耦合、多变量、非线性的复杂
系统旧J。
因此实现其闭环稳定控制是目前面临的主要困难。
四旋翼飞行器的控制主要包括姿态控制和位置控制,由于位置的改变是由于姿态的变化而引起的。
因此控制四旋翼飞行器的姿态是最为重要的。
为了实现对四旋翼飞行器的姿态控制,通常情况下人们采用的是比较成熟的PID控制器。
PID控制器具有原理简单、算法成熟、控制参数相互独
四旋翼飞行器非线性数学模型
四旋翼飞行器为十字形对称结构,其物理结构图如图l
所示:
将四翼飞行器视为具有六个自由度的刚体,其运动方程可依据牛顿一欧拉方程建立。
考虑了四旋翼飞行器在运动过程中旋翼的回转效应,由文献[5]得到四旋翼飞行器最终的非线性数学模型如下:
收稿日期:
2013一12—29
一73—
万方数据
图2模糊PID控制器结构图
p-俯仰角;乒横滚角;妒偏航角;n,乃,乃,乃・四个旋翼产生的升力
图1四旋翼飞行器结构图
制器的输入,PID部分采用的是PD控制,故选取对K”Kd两个参数的调节量△K。
△Kd作为输出。
由此得到模糊PID控
制器的模糊逻辑模型如图3所示。
扫:
毕卜铷+笔香=争卜争Q+等i=毕g+詈
戈=一(一sin砂sin妒+c。
s砂sin踟。
s妒)等矿=一(一c。
s归n9+sin沁n6lc。
s妒)等害=g一(c。
s胁妒)告
q’
FuzzyLogicCOntrolIer2
图3模糊逻辑框图
其中,x、y、z分别表示导航坐标系下四旋翼飞行器在x轴y
轴z轴方向上的位移,纵口、妒分别表示四旋翼飞行器在导
航坐标系下的俯仰姿态角、横滚姿态角、偏航姿态角;m表示四旋翼飞行器总的质量;U表示四个旋翼产生的升力和,以表示四旋翼飞行器俯仰方向的力矩,%表示四旋翼飞行器横滚方向的力矩,以表示四旋翼飞行器偏航方向的力矩;n表示四个旋翼转速的代数和;p、g、r分别表示四旋翼飞行器在载体坐标系下的绕轴角速度;.,即表示旋翼的回转惯量;L、k、,曩分别表示四旋翼飞行器绕x轴、y轴、z轴转动的转动惯量。
在Madab软件平台下,其自带6一DOF运动方程模块,该模块输入部分为导航坐标系下受到的力和力矩,输出部分包含有四旋翼的姿态输出,为保证系统的非线性特性,本次设计中采用该运动方程模块代替四旋翼飞行器的模型参与控制器的设计。
PID控制部分选取初始参数Kp为50,Kd为30,模糊PID控制器的PID控制模型如图4所示。
图4PID控制器框图
以控制四旋翼飞行器的俯仰姿态角为例,选取俯仰角度和角速度作为模糊控制器的输入,△K。
、△Kd为模糊推理部分
3模糊Pm控制器设计
3.1系统输入输出变量
模糊PID控制器由模糊推理和PID控制器两部分组成,其结构如图2所示。
由图可知模糊PID控制器模糊逻辑部分包含两个输入分别为偏差e和偏差的变化率ec,输出部分为PID三个参数的变化值△Ko、△K;、△K。
,模糊PID控制器就是不断的检测偏差和偏差变化率,然后根据所编写的模糊规则产生相应的输出在PID控制器初始参数的基础上进行实时调节№]。
本文选取姿态角的偏差和姿态角偏差变化率作为模糊PID控
的输出。
他们的语言变量分别为E,Ec,△K。
,△K。
;设定其论域为E:
{一0.10.1},Ec:
{一0.15O.15},△K。
:
{一1010},△K。
:
{一55}。
选取“负大(NB)”、“负中(NM)”、“负小(Ns)”、“零(z)”、“正小(PS)”、“正中(PM)”、“正大(PB)”描述系统变量,得到系统子集为{NB,NM,Ns,z,PS,PM,PB},变量隶属函数选取为:
左边梯形隶属函数,中间三角形隶属函数,右边梯形隶属函数的组合函数形式o“。
确定隶属函数的模糊子集后,利用MaⅡab工具可以得到输入参数E、Ec的隶属函数图和输出参数△K。
、△Kd隶属函数图如图5至图8所示。
一74一万方数据
图5参数E的隶属函数
_01.0.05000501
图6参数EC的隶属函数
图7参数丛。
的隶属函数
.50
图8参数A‰的隶属函数
3.2系统模糊规则
对于模糊PID控制而言,模糊控制器仅仅输出PID三个万方数据参数的调节量,而最终影响系统控制效果的还是PID控制器的实际参数。
因此根据PID控制器每个参数对系统动态及稳态控制的影响效果来建立相应的模糊规则。
模糊规则建立的原则为:
当偏差E较大的时候,选用较大的厶印,较小的△尉;当偏差E和偏差变化率EC中等大时,选用较小的△邱,适中的△尉;当偏差E较小的时候,适当增大K的值;当Ec较小的时候适当增大雠d的值;当髓较大时,适当减小△邱值∽】。
根据以上几点原则并综合考虑参数△脚、“d对整个系统动态及稳态性能的控制效果,最终建立本控制器的模糊规则如表1、2所示:
表l关于Aq的模糊规则(Ec)MaⅡab软件绘制模糊逻辑部分的输入输出三维曲面如图8、9所示。
:
三>≯蔷。
0.1—0-05”E图8输出脒,的三维曲面对于四旋翼飞行器的横滚角、偏航角控制的模糊变量隶一75—
4
2
委
。
一2
直
-4O.1
世拍拣基警
图9输出从d的三维曲面
图11正弦响应仿真结果
属函数和模糊规则的建立方法均与俯仰角的相类似,在此不一一描述。
宽为2s,幅值为1rad的脉冲干扰,两种控制器的仿真测试结果如图12所示。
3.3模糊唧控制器仿真
在确定了系统控制的模糊规则后,对整个系统进行了仿真实验。
选取四旋翼飞行器的俯仰姿态角作为仿真控制对象,在阶跃输入条件下的仿真结果如图10所示。
n12
0.5
n]
0
n08刮
-0.5
嚣n06
婚
—1
垂n04
一1.5
4
6
8
10
时间以
图12脉冲干扰下正弦响应仿真结果
0
246810
时间如
由图12可以看出,在干扰相同的情况下,模糊PID控制器受干扰影响的幅度变化更小,模糊PID控制器的的抗干扰能力强于常规PID控制器。
图10阶跃响应仿真结果
由图10可以看出,在阶跃输入下模糊PID控制器和常规PID控制器的静态误差都很小,当误差带取为5%的时候,常规PID控制下系统调节时间约为2s,而模糊PID控制下系统的调节时间约为1.2s。
由此得到,在模糊PID控制下系统的响应速度更快。
并且在模糊PID控制器作用下系统的超调量要比常规PID控制器作用下系统超调量明显小。
由此得到,在模糊PID控制器作用下系统的动态性能更好。
正弦输入下,两种控制器的仿真结果如图11所示。
由图1l可以看出,常规PID控制器的控制精度为大于4%,而模糊PID控制器的控制精度为2%左右,后者控制精度明显高于前者。
模糊PlD控制器具有更好的稳态性能。
为验证模糊PID控制器和常规PID控制器的抗干扰能力强弱,正弦输入条件下,在t=5s的时候加载周期为10s,脉
从以上各仿真结果可知,模糊PID控制器较常规PID控制器的系统响应速度更快、超调量更小,控制精度更高,抗干扰能力更强,控制效果更好,因此模糊PID控制器能更好的实现对四旋翼飞行器的控制。
3.4验证仿真结果
为了验证模糊PID控制器的实际性能,搭建了物理实验平台。
平台采用美国Ⅱ公司的DsP2812作为控制核心进行C语言编程,无刷直流电机选用朗宇2212kV980配合商用电调给系统提供动力,通过12c接口的数字式陀螺仪加速度计模块实时检测系统姿态,模拟接口的超声波模块检测四旋翼飞行器的高度,姿态控制部分采用模糊PID控制器,使用NRF24LDl模块对系统进行遥控操作。
平台实际效果如图13所示,实验结果表明,模糊PID控制器能对四旋翼飞行器
一76一万方数据
进行有效控制。
参考文献:
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4结论
本文通过在M“ab环境下建立四旋翼飞行器的非线性模型,分别设计了模糊PID控制器模型和常规PID控制器模型,并在软件平台下对两种控制器的系统控制效果进行了软件仿真,仿真结果表明模糊PID控制器在动态性能及稳态性能上均优于常规PID控制器,模糊PID控制器能更好的实现对四旋翼飞行器的控制。
发等。
[作者简介]
张镭(1980一),男(满族),河南省开封市人,副
教授,硕士研究生导师,研究领域为仿真技术,控制系统软件开发,电液伺服系统的控制等。
李浩(1990一),男(汉族),湖南省邵阳市人,硕
士研究生,主要研究领域为智能控制,控制系统开
(上接第44页)
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[2]zhu
Rong,Zhou
zhaoying.AsⅡ“llow—c憾thy晡d丽en谢on
[作者简介]
吴中华(1987一),男(汉族),河南省焦作市人,硕
E研究生,主要研究领域为飞行器控制与仿真,导航制导与控制。
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zhuR0ng,sunforattitude
贾秋玲(1966一),女(汉族),河南人,副教授,硕士
研究生导师,主要研究领域为飞行器建模与仿真,
鲁棒控制,导航制导与控制等。
D∞g,zh叫zh如ying.A
usinglow
cost
linear
fusi∞a190ritIlm
dete珊inatiml
MEMs
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付伟(1990一),男(汉族),陕西省西安市人,硕士研究生,主要研
究领域为飞行器控制与仿真,导航制导与控制。
王靖宇(1990一),女(汉族),陕西省西安市人,硕士研究生,主要研
究领域为飞行器控制与仿真,导航制导与控制。
一77—
万方数据
四旋翼飞行器模糊PID姿态控制
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
张镭,李浩,ZHANGLei,LIHao河南大学物理与电子学院,河南开封,475004计算机仿真ComputerSimulation2014,31(8)
1.岳基隆;张庆杰;朱华勇微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析2010(10)
2.聂博文微小型四旋翼飞行器的研究现状与关键技术2007(06)
3.李俊;李运堂四旋翼飞行器的动力学建模与PID控制2012(01)
4.GeorgeLimnaios;NikosTsourveloudisFuzzyLogicControllerforaMiniCoaxialIndoorHelicopter2012(65)
5.朱君四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究2012
6.孙怡基于模糊PID控制的多电机同步控制2012
7.刘朝英;宋哲英;宋雪玲MATLAB在模糊控制系统仿真中的应用2001(03)
8.田凡电液伺服系统模糊PID控制仿真与试验研究2010
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