基于分数阶PID的四旋翼飞行器控制

发布时间：2020-05-12 23:10

【摘要】：四旋翼飞行器是一种结构对称、质量轻盈、能够完成自主起飞、降落、悬停、倒飞的飞行设备。四旋翼的诸多优点,吸引着科研院校和科技公司的广泛关注。但是四旋翼具有非线性、强耦合、欠驱动、干扰敏感的特性,这对四旋翼的稳定控制带来很大挑战。本文以Qba112四旋翼飞行器为研究对象,旨在设计具有抗干扰性和强鲁棒性的控制器。本文完成的主要内容有:首先介绍了 Qba112四旋翼飞行器的主要组成部件和飞行原理,并对四旋翼的受力情况进行分析,结合牛顿第二定律和角动量定理推导出四旋翼的数学模型。综合四旋翼飞行器的数学模型和飞行原理,设计了位置外环-姿态内环的双闭环控制策略。其次,针对传统PID控制器鲁棒性和抗干扰性较差的缺点,通过引入积分阶次λ和微分阶次μ对PID控制进行改进,设计了分数阶PID控制器,并采用改进近似法得到分数阶微积分算子sμ的有理化实现。通过姿态控制和位置跟踪仿真验证了分数阶PID控制器具有较好的动态性能和较强的抗干扰性,并对比了参数摄动情况下PID和分数阶PID的控制效果,验证了分数阶PID控制器较好的动态性能和较强鲁棒性。再次,为了克服自抗扰PD控制器在参数摄动时的影响,利用分数阶PD替代传统自抗扰PD控制器,并采用测量值取代观测值对反馈控制律进行改进。改进的分数阶PD自抗扰控制器应用于四旋翼飞行器的姿态及位置控制,仿真结果显示,分数阶PD自抗扰控制器相对于整数阶PD自抗扰控制器具有更好的快速性。在系统参数摄动情况下,分数阶PD自抗扰控制器的调节时间和超调量变化均较小。在控制器参数摄动情况下,分数阶PD自抗扰控制器的调节时间变化幅度更小,显现更强的鲁棒性。最后,将所设计的分数阶PID控制器应用于Qba112四旋翼的姿态和高度控制,并取得满意的控制效果。在四旋翼悬停实验时,为充分利用实验平台采集的高度微分信息,通过设计二阶低通滤波器提取高度给定值的变化率,对实际值和给定值变化率的差值进行比例控制,从而替代分数阶PID控制器的微分项。通过对比证实了二阶滤波提取变化率具有更小的稳定时间和静态误差。之后,将分数阶PD自抗扰控制器应用于Qba112四旋翼的姿态和高度控制。
【图文】：

无人机,翼龙,彩虹

无人驾驶飞机（Ｕｎｍａｎｎｅｄ邋Ａｅｒｉａｌ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ，邋ＵＡＶ），又称为无人机，是利用装逡逑载于机身的程序控制装置或者通过无线连接方式操纵的无人飞机器。实际上，无逡逑人机是无人驾驶飞行器的统称，可以分为：无人固定翼飞机、无人垂直起降飞机、逡逑无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等￣。无人机在军事和逡逑民用上应用广泛。军事上，无人机执行侦查和打击任务，还可以进行情报收集、逡逑电子干扰、搜救等用途。在民用方面，无人机与具体行业的应用紧密结合。目前逡逑在航拍、农业、快递运输、环境监控、测绘、电力巡检、救灾、新闻报道、视频逡逑娱乐等领域应用广泛。无人机在民用领域的扩展也大大促进了无人机产业的发展，逡逑进一步得到了高校和科技公司的重视。逡逑无人机按照机翼类型可以分为旋翼类无人机和固定翼类无人机。固定翼无人逡逑机一般轮式起降，起飞时跑道加速，降落时跑道滑行，需要一些传统基础设施的逡逑支持。目前国内固定翼无人机较为出名的是“翼龙”无人机和“彩虹”系列无人逡逑机。旋翼类飞行器机械结构简单、易于维护、可以自主垂直起降、能完成悬停、逡逑倒飞等诸多飞行动作，飞行更加灵活，，且控制稳定，安全程度高，适应环境能力逡逑强。旋翼类无人机的种种优点使其成为国内外科研院校和机构的研究重点。逡逑

旋翼,无人机

￣ｉｒ－Ｔｒ＾逡逑图１－１翼龙无人机和“彩虹４”无人机逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｗｉｎｇ邋Ｌｏｏｎｇ邋ＵＡＶ邋ａｎｄ邋ＣＨ－４邋ＵＡＶ逡逑旋翼无人机按照旋翼数量的多少可分为单旋翼直升机、共轴双旋翼无人机、逡逑四旋翼、六旋翼、八旋翼等。相对来说，四旋翼结构对称、成本低廉、能够通过逡逑自身旋翼抵消反扭矩影响，是一种军民两用的高科技设备，在国内外的科学研究逡逑１逡逑
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V249.1

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