基于Simulink仿真的植保四轴飞行器控制系统研究

发布时间：2021-10-07 03:45

　　由于植保四轴飞行器在高原地区进行农业作业过程中负载不断减小,加上外界风力较大等因素,其系统稳定性会逐渐减弱,干扰较大时很可能会失控。因此,该文设计了由遥控板、飞控板、惯性测量单元以及2.4G无线通信模块等组成的飞行系统,实时解算得到飞行器角速度和角度两个姿态参数,将角度参数用于Simulink仿真,比较模糊控制和传统PID控制的仿真结果可知,采用模糊PID控制算法的系统响应速度明显加快,超调量趋于0,可实现四轴飞行器的稳定飞行。 

【文章来源】：自动化与仪表. 2020,35(08)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

四轴飞行器的结构

设计的系统由MPU6050运动传感器、2.4G无线通信模块、遥控板和飞控板等组成[6]。飞行器的工作原理如图2所示。当系统内外部因素发生改变时，四轴飞行器的稳定性将会减弱，MPU6050传感器会将检测到的干扰信号传给飞控板，然后数据被2.4G无线通信模块接收后发给遥控板，此时需手动操作4向摇杆来控制飞行器姿态，当飞行器稳定后，遥控板会将处理后的信号通过2.4G无线通信模块传给飞控板，四轴飞行器接收到信号后，电机转速会迅速得到调整以保持自身姿态稳定。2 四轴飞行器力学模型研究

在该系统中，通过IMU实时解算的姿态参考系数与理想参考系数的偏差，参照飞行器实时状态，输出合适的电机转速，实现飞行器的稳定飞行[9]。根据PID控制原理，采用方波信号作为输入角度，搭建起四轴飞行器俯仰方向的PID控制模型如图3所示。图3中PID控制器会由输入的角度偏差对应输出相应的电机转速，增益K主要取决于系统自身负载和电机初始转速ω0。为了使仿真系统超调量不超过响应信号最大值，系统上升时间不超过2 s。系统PID参数受飞行器自身负载的影响，K取不同值时，系统受到的扰动也不同，通过不断调节PID的控制参数，可以发现PID各系数集中在如下范围内：5≤kp≤7,1≤kd≤3,ki≤0.3，如果在该范围之外，就无法得到理想的仿真效果。选取几组PID参数为kp=6,ki=0.05,kd=1及3，方波幅值为20。由于四轴飞行器在农业作业过程中自身负载会不断减小（即K值改变），若系统负载也在1、3之间转换，仿真时间设为20 s，则系统响应曲线如图4所示。

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双STM32多旋翼无人机控制系统设计[J]. 童江.  科学技术创新. 2019(22)
[2]四旋翼无人机控制系统仿真设计[J]. 杨则允,李猛,孙钦鹏.  计算机测量与控制. 2019(04)
[3]四旋翼无人机串级模糊自适应PID控制系统设计[J]. 于文妍,杨坤林.  机械设计与制造. 2019(01)
[4]基于STM32的X型四旋翼无人机设计[J]. 潘春荣,许化.  工程设计学报. 2017(02)
[5]模糊PID在无人机飞行控制中的应用研究[J]. 董良新.  自动化技术与应用. 2015(08)
[6]植保四轴飞行器的模糊PID控制[J]. 刘浩蓬,龙长江,万鹏,王晓谊,胡奔.  农业工程学报. 2015(01)
[7]基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统[J]. 刘乾,孙志锋.  机电工程. 2011(10)
[8]可垂直起降、高速前飞的飞行器设计与控制[J]. 樊鹏辉,王新华,蔡开元.  控制理论与应用. 2010(09)

硕士论文
[1]四旋翼无人机模糊PID姿态控制研究[D]. 付岩果.浙江海洋大学 2019
[2]基于串级PID控制算法的四旋翼无人机控制系统设计与实现[D]. 乌仁别丽克.东华大学 2016



本文编号：3421298