毕业论文--四旋翼飞行器模糊PID控制算法设计.doc
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毕业论文--四旋翼飞行器模糊PID控制算法设计.doc
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湖南大学毕业设计(论文)
HUNANUNIVERSITY
毕业论文
论文题目
四旋翼飞行器
模糊PID控制算法设计
学生姓名
学生学号
专业班级
自动化1102
学院名称
电气与信息工程学院
指导老师
学院院长
2015年6 月1日
湖南大学毕业设计(论文)
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摘要
四旋翼飞行器是一种通过控制四个电机带动旋桨从而控制飞行的无人飞行器。
四旋翼飞行器因为其控制原理简单、造价低廉、起飞降落所需空间小、姿态稳定等诸多优点,在军事和民用方面都有非常广阔的前景。
四旋翼飞行器因为其欠驱动、强耦合、多变量、非线性等复杂因素,使之研究内容涉及结构设计、空气动力学、高效能源、自主飞行、材料工程等许多方面。
近年来,四旋翼飞行器的研究制造也逐渐成为热门。
首先,本文以四旋翼飞行器作为研究对象,对近年来国内外的四旋翼研究现状和研究成果进行简单介绍,然后以飞行控制算法设计为前提,研究并得出了四旋翼飞行器的数学模型,设计模糊PID控制的方法,最后的仿真实验利用simulink实现,以此来验证控制算法的有效性。
关键词:
四旋翼飞行器;建模;模糊PID;仿真
Design ofQuadrotorAircraftFuzzyPID Control System
Abstract
Quadrotorsisakindofunmannedaerialvehiclewitchcontrolledbycontrollingfourmotorsthatdrivingfourpropellertorealizeflying.Becauseofalargenumberofadvantagethatthesimplecontrollingprinciple,lowcost,littleroomwhilelandingandtakingoffandstabilizeattitude,quadrotorshaveverybroadprospects.
Onaccountofcomplexfactorsthatunder-actuated,strongcoupling,multivariateandnonlinear,theresearchofquadrotorscontentsinvolvedinstructuraldesign,aerodynamics,efficientenergy,manyaspectsautonomousflight,materialengineering,etc.Forthepastfewyears,theresearchandmanufacturebecominghotterandhotter.
firstofall,thearticlemakequadrotorsaobjectthatgiveanoutlineofcurrentsituationandachievementthatproducedinapastfewyears.Then,thearticlemakethedesignofcontrollingalgorithmtopremise,puttingoutthemathematicalmodel,designingfuzzy-PIDcontrollingalgorithm.Lastofall,thearticleachievingsimulationexperimentusingsimulinkandvalidatingthevalidityofcontrollingalgorithm.
Keywords:
quadrotors;modeling;fuzzy-PID;simulation
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目录
1绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.2.1四旋翼发展史 1
1.2.2国内外研究现状 4
1.3研究热点和关键技术 5
1.4本文主要内容 6
2四旋翼飞行器的结构和飞行原理 7
2.1机械结构 7
2.2飞行原理 8
3坐标系的定义与转换 11
3.1坐标系定义 11
3.1.1机体坐标系(B系,xbybzb系) 11
3.1.2地面坐标系(E系,xeyeze系) 11
3.2坐标系转换 11
4四旋翼飞行器动力学模型建立 13
4.1线运动方程 13
4.2角运动方程 15
4.3飞行器转动惯量的计算:
18
4.4结论 19
5基于模糊PID的四旋翼飞行器的控制 20
5.1PID控制理论 20
5.2模糊控制 21
5.3模糊PID控制器 24
5.3.1模糊PID控制器的基本形式 24
5.3.2传统PID控制器和模糊控制器的两种结构形式 25
5.4.1控制系统结构 25
5.4.2PID参数整定原则 26
5.5四旋翼飞行器的模糊PID控制器设计 27
5.5.1姿态控制 28
5.5.2位置控制 29
5.5.3模糊控制器的设计 29
6仿真实验 32
6.1飞行控制模块 32
6.1.1高度控制部分 33
6.1.2水平控制部分 33
6.1.3角度控制部分 34
6.2电机及数据转换模块 35
6.3姿态解算模块 36
6.4仿真实验 38
6.5结论及展望 39
参考文献 43
附录A 45
附录B 46
附录C 47
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湖南大学毕业设计(论文)
1绪论
1.1课题研究背景
普通的无人机根据机体结构与机翼形状有固定翼和旋转翼两大类。
与固定翼相比,旋转翼无人机以其飞行原理简单、造价低廉、起飞降落所需空间小、姿态稳定等突出优点引起了广泛研究。
随着计算机等各领域的技术的发展,四旋翼飞行器的应用逐渐广阔,比如可用于超高压线路的中转塔、导地线、绝缘子等缺陷检查和线路故障点的查找;也可用于影视片及赛事拍设,四旋翼业余爱好者们的兴趣重点也在航拍,像《爸爸去哪儿》等电视节目中也经常可以看见四旋翼飞行器的踪迹;还可以实现水利、电力、通讯、工程等行业的无人监测;还可应用于各类环境下执行救灾抢险等任务。
四旋翼飞行器也可应用在军事方面,凭借其小体积、隐蔽性好、高机动性、避免人员伤亡的优点,可以使飞行器在许多危险的环境中完成侦察、跟踪、对抗等多重任务。
四旋翼飞行器由四个独立的电机驱动,属于旋翼式飞行器,其螺旋桨数目较多,产生的升力足够飞行器起飞甚至负重飞行,且其与一般旋翼不同的是四旋翼旋桨的倾角是固定的,这样做使得飞行器的结构得到简化,同时也减少了自身的重量。
四个旋翼相互作用能更稳定的实现在空中的悬停,同时也可以在悬停状态下快速、稳定的改变其姿态,从而使得四旋翼的机动性和有效承载力比较高。
但由于四旋翼飞行器本身的控制特性使得系统的有效控制十分困难,四旋翼飞行器亟待解决的主要问题开发出即足够的动力又能有较好的稳定性的控制系统。
在这样的前提下,解决四旋翼飞行器在控制过程中存在的诸多难题,使得四旋翼飞行器能沟在军用和民用广泛普及,成为关注的热点,这也是本文的研究意义之所在。
1.2国内外研究现状
1.2.1四旋翼发展史
四旋翼的雏形可以追溯到1907年8月,由Breguct兄弟设计制造的世界上第一架四旋翼直升机“旋翼机1号”诞生,如图1.1所示。
图1.1Breguct和旋翼机1号
此时的四旋翼飞行器多以载人为目的,体积也非常之大,其形状与现在的四旋翼相似,共有四组旋翼,每一组都由双层的旋桨组成,旋桨直径有8.1米,由一台29.8KW的内燃机供能,但是由于没有控制算法,只有一只油门用于控制起降,难以保证四个旋翼的转速适当,故而其稳定性非常差,飞行高度也只有1.5米。
虽然未能实现最初目的,但其四旋翼作用的原理为微小型四旋翼开辟了先河。
1921年美国军方与GeorgeDebothezat合作共同研制大型四旋翼,其结构如图1.2所示
图1.2George的四旋翼结构
该飞行器采用了六桨叶的旋翼,旋翼直径为8.1米,重达1680千克,但由于就当时的科技而言,飞行器的动力是一个极大的问题,同时由于其在结构、性能等多方面的问题,该项目被搁置。
此后多年又出现了许多大型四旋翼,比如george的改进型四旋翼(如图1.3),1924年的Oemichen四旋翼直升机(如图1.4),1956年convertawings的四旋翼直升机(如图1.5)等。
图1.3george的改进型四旋翼
图1.4Oemichen四旋翼直升机
图1.5convertawings的四旋翼直升机
限于当时的技术等问题,载人的大型四旋翼飞行器始终无法实现人们期望的飞行要求,也没有突出的有点,此后的研究都没有重大进展。
直到20世纪80年代,随着新型材料、微电机(MEMS)、微惯导(MIUI)、传感器技术等科学技术的发展,小型旋翼机的优点逐渐显现出来,四旋翼飞行器再次进入了研究人员的视线,但此时的四旋翼不再以载人为目的,而向着微小型发展。
国外开发的比较有代表性的四旋翼飞行器有宾夕法尼亚大学的MAVs系统,麻省理工学院的RobustRobotics小组开发的微型四旋翼飞行器,斯坦福大学的Mesicopter,法国贡比涅技术大学的Draganflyers等。
同时,欧美发达国家已将四旋翼用于商业、军事领域。
1.2.2国内外研究现状
目前,四旋翼飞行器可大致分为遥控航模四旋翼、小型四旋翼、微型四旋翼三类[7].
前面提到的Draganflyer作为遥控航模的典型代表,其多用于航拍。
其最大翼展76.2厘米,机体高18厘米,净重481.1克,有效荷载113.2克,续航时间15分钟左右。
小型四旋翼主要研究基于惯导的自主飞行控制、基于视觉的自主飞行控制和自主飞行系统方案三个方面,其代表产物分别是EPFL的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4、佐治亚理工大学的GTMARS。
微型四旋翼区别于小型四旋翼的主要特点是其体积极小,一般不用机架,直接将微电机、旋桨、飞控板集中在一起作为一个整体,斯坦福大学的Mesicopter(如图1.6所示)是微型四旋翼领域的典型代表。
图1.6Mesicopter微型四旋翼
国内四旋翼研究的起步较晚,而且主要集中在一些高等院校,多以理论研究和计算机仿真为主。
2004年国防科技大学设计出可飞行的四旋翼,2006年完成Quad-Rotor飞行器的设计。
上海交通大学微纳米科学技术研究院成功研制出以直径2mm电磁型微马达作为驱动器能离地飞行的双旋翼微型直升机。
与此同时,小米也投资了飞米(Flymi)无人机团队。
腾讯腾讯公和九星科技将合作推出一款四旋翼无人机,目前该款无人机尚处在测试阶段,许多四旋翼飞行器爱好者也加入了四旋翼飞行器设计的热潮。
1.3研
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