基于模糊PID控制的四旋翼飞行器设计

发布时间：2017-09-15 10:39

  本文关键词：基于模糊PID控制的四旋翼飞行器设计

  更多相关文章： 四旋翼飞行器 互补滤波算法 模糊PID算法 实验测试

【摘要】：因为四旋翼无人机自身所带的种种优点,例如它的成本比较低以及高度的智能化发展,使其在社会受到的关注度和使用量越来越高。虽然现今的飞行器已经开发了很多的额外功能,但是飞行器的姿态稳定性依旧是飞行控制器的重要研究课题,是保障飞行器基本工作的主要因素,本设计在已有的研究成果的基础上,对飞行器稳定性控制进行了研究改进和实验测试,主要完成的工作如下:互补滤波算法滤除姿态角噪声:依据捷联惯导系统的姿态和原理,得到了飞行器姿态角以及姿态矩阵,为后续的姿态的计算供应理论前提。为了减弱传感器输出数值噪声,使用了互补滤波算法进行滤除,得出的输出数值更加可靠,从而提高姿态解算的准确性,最后验证算法的可行性,结果表明互补滤波算法与已有的稳定飞行器解算出姿态角波形曲线对比误差极小,证明算法对姿态角具有修正性,解算出的姿态角作为系统控制的输入值可靠性较高。姿态角的模糊控制算法:传统的PID控制算法对于飞行器姿态角的稳定性有很大的缺陷,很容易造成坠机,本设计使用了模糊PID控制(fuzzy PID),将模糊控制和经典的PID进行了仿真对比,根据仿真出的结果,分析之后可以得到模糊PID控制算法下得出的波形稳定性效果要远远的好于传统上的PID控制算法。飞行器测试实验:为了进一步验证设计中的两个算法是否能够真实控制飞行器的姿态稳定性,搭建了实验的平台进行了测试实验。对实验平台的硬件模块和功能做了说明,软件设计部分给出了飞控系统驱动流程图、飞行控制的整体流程图以及传感器数据采集的流程图。实验过程中通过软件调试工具记录实验平台中控制器角度的变化数据,并通过电脑实时显示数据的波动情况,实验结果表明算法对姿态控制具有较好的效果。
【关键词】：四旋翼飞行器 互补滤波算法 模糊PID算法 实验测试
【学位授予单位】：曲阜师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-12
• 1.1 研究背景及目的与意义7
• 1.2 国内外发展与研究现状7-10
• 1.3 本文主要内容与章节结构10-12
• 第2章 捷联式惯性导航系统的原理12-20
• 2.1 飞行器捷联式惯性导航姿态描述12-15
• 2.1.1 地球参考模型12-13
• 2.1.2 常用坐标系13-15
• 2.2 惯性导航系统原理15-19
• 2.2.1 捷联式惯性导航系统的原理15
• 2.2.2 姿态角和姿态矩阵15-17
• 2.2.3 解算导航的方法-四元数17-19
• 2.3 本章小结19-20
• 第3章 惯性导航系统传感器数据的处理20-28
• 3.1 传感器数据误差来源20-21
• 3.2 互补滤波补偿方法21-23
• 3.2.1 传感器输出噪声21-22
• 3.2.2 互补滤波补偿算法22-23
• 3.3 互补滤波算法仿真验证23-26
• 3.4 本章小结26-28
• 第4章 四旋翼飞行器的模糊控制与仿真28-40
• 4.1 四旋翼飞行器力学控制原理28-30
• 4.1.1 四旋翼飞行器的力学结构解析28
• 4.1.2 四旋翼飞行器的力学控制原理28-30
• 4.2 四旋翼飞行器运动学建模30-32
• 4.2.1 直流电机和螺旋桨转动模型30
• 4.2.2 四旋翼飞行器的非线性运动模型30-31
• 4.2.3 四旋翼飞行器的线性运动模型31-32
• 4.2.4 四旋翼飞行器的运动模型的离散化处理32
• 4.3 PID和模糊控制算法理论32-36
• 4.3.1 传统PID控制理论32-34
• 4.3.2 模糊控制理论34-36
• 4.4 四旋翼飞行器PID模糊控制器模型仿真36-39
• 4.4.1 传统PID控制器的SIMULINK建模36-38
• 4.4.2 模糊控制器的SIMULINK建模38-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 四旋翼飞行器控制系统设计和实验测试40-52
• 5.1 四旋翼飞行器飞行控制系统硬件设计40-44
• 5.1.1 主控模块的设计41
• 5.1.2 惯性测量单元模块设计41-42
• 5.1.3 数据通信模块设计42-43
• 5.1.4 动力模块设计43-44
• 5.2 四旋翼飞行器飞行控制系统软件设计44-47
• 5.2.1 飞行控制系统软件结构44-46
• 5.2.2 中断姿态解算控制流程图46-47
• 5.3 系统实验及结果分析47-51
• 5.3.1 姿态解算准确性测试47-49
• 5.3.2 姿态控制准确性测试49-50
• 5.3.3 飞机飞行测试50-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第6章 总结与展望52-53
• 参考文献53-56
• 在读期间发表的学术论文及研究成果56-57
• 致谢57

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7 邓寅U，

本文编号：856040