微型四旋翼飞行器控制方法研究及控制器设计

作     者：赵金亮 

作者单位：辽宁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张健

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：四旋翼飞行器 PID控制 自抗扰控制 模糊优化 抗干扰性 

摘      要：进入新世纪后,电子元器件和各种智能硬件蓬勃发展,控制理论的不断完善,四旋翼飞行器突破诸多技术瓶颈,重新开始受到人们的关注。四旋翼飞行器具有飞行灵活度高、成本低、机身小巧便于携带等优点。近些年来,四旋翼飞行器的负载续航能力逐渐提高,在搭载了高清摄像机以及其他传感器后广泛应用于电影航拍、野生动物保护等领域。但是,四旋翼飞行器的控制系统是一种不完整并且不稳定的的控制系统。因此,若要稳定的控制四旋翼飞行器,对其控制系统的设计十分必要。论文介绍了四旋翼飞行器的结构和飞行原理,在忽略机体形变和其他次要因素后,分析建立了四旋翼飞行器的动态数学模型。选择了一种硬件飞行平台以获取飞行参数,然后利用这些参数在软件仿真平台上对四旋翼飞行器控制系统进行仿真。将四旋翼飞行器的控制系统分解成飞行高度控制、飞行航向控制和机体平衡控制三个子系统,然后利用传统的PID控制算法对各个子系统进行控制,并在Simulink下对每个控制子系统进行仿真。根据四旋翼飞行器特殊的飞行控制系统,分析了PID控制的局限性,针对这些局限性采用了自抗扰控制。这种方法设计了跟踪微分器为控制器的输入安排了过渡过程;设计了扩张状态观测器,将被控对象数学模型的未知部分和外部噪声视为总扰动;设计了非线性状态误差反馈律以减少跟踪误差。利用模糊优化算法对自抗扰控制器的非线性状态误差反馈控制律的参数整定进行优化,确定模糊输入输出、论域以及隶属函数后,设计出了自抗扰模糊参数优化控制器。随后利用自抗扰模糊参数优化控制器对四旋翼飞行器进行控制,并对控制器进行抗干扰测试。仿真结果表明,在动态性能指标、跟踪能力和抗干性方面,自抗扰模糊参数优化控制器具有良好的控制性能。