基于模糊自适应PID的四旋翼飞行器姿态控制研究

作     者：宫娟 

作者单位：重庆邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈平;朴昌浩

授予年度：2018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 姿态控制 量化因子和比例因子 变论域 因子自适应模糊PID控制 

摘      要：近年来,四旋翼飞行器受到了广泛的关注,由于其显著的控制特点,被广泛应用在生活中的各大领域,市场价值正在不断上升,但不可否认的是四旋翼飞行器是一个非常复杂的非线性系统,需要控制的变量多,变量之间的耦合强,而且在运行过程中非常容易受到外界环境和系统内部参数等不确定因素的影响,这使得在设计四旋翼飞行器的控制系统时难度较大。传统的模糊PID控制,难以选择一个合适的量化因子和比例因子,往往是通过自己的主观判断或者经验盲目地选取,并且采用固定的量化因子和比例因子会使得误差越来越小时,控制规则更多落在零点附近,可用的控制规则越来越少,难以适应多种不同的环境,达不到想要的控制效果。有鉴于此,本文提出了一种因子自适应模糊PID控制方法,并设计了相应的控制器,通过找出量化因子、比例因子与控制器输入量之间的关系,采用变论域的思想对模糊论域进行伸缩,从而改进模糊PID控制器,使得四旋翼飞行器在运行的不同阶段可以有与之匹配的不同的量化因子和比例因子,进一步改善四旋翼飞行器姿态控制的性能。具体研究内容如下:（1）本文首先介绍了四旋翼飞行器姿态控制的研究背景与意义,并分析了国内外的四旋翼飞行器姿态控制的研究现状,然后介绍了几种常用的姿态控制方法性能以及特点,为之后提出因子自适应模糊PID控制方法作铺垫。（2）接着,分析了四旋翼飞行器的几种不同的运动状态,确定机体坐标系和地面坐标系的转换关系,并利用欧拉方程对四旋翼飞行器的平动模型和转动模型进行了研究,进而得出飞行器的非线性动力学模型。（3）根据所建立的四旋翼飞行器非线性动力学模型,提出了一种因子自适应模糊PID控制方法,采用对两种尺度变化因子在线调整的方法,使得输入和输出论域大小发生改变。保证在系统整个调节过程中,当误差量很小的时候,仍然能使用较多的模糊规则对系统进行精细控制。然后通过matlab进行了仿真分析,仿真结果表明本文所提出的因子自适应模糊PID控制方法是有效的,而且与文中另外两种算法相比,本文所提出的的算法更有优越性。（4）在姿态控制理论分析与仿真实验分析的基础上,进一步地结合所搭建实物平台验证所提算法的有效性。在keil5集成开发环境下,编写并调试代码,实现程序开发,进而控制四旋翼飞行器的姿态。