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【EFM8 Universal Bee申请】基于PID控制的四旋翼飞行器仿真研究及实验分析

2018-10-24 17:24:21

3045 PID 控制器电机

项目名称：基于PID控制的四旋翼飞行器仿真研究及实验分析

试用计划：一、立项依据（项目的研究意义、国内外研究现状分析，附主要的参考文献）
从四旋翼飞行器诞生发展到现在，演变出了许许多多的类型，其在军事及社会各行业也得到了充足的运用。四旋翼飞行器融合了直升机与固定翼飞行器的优点，能在各种复杂地形飞行，具有垂直起降、可携带负载、方便控制的特点，不需要滑跑就能够方便的起飞和降落，使用方便且易于伪装，具有很高的科研和应用价值。在军事方面，有的任务是危险系数高，执行难度大，四旋翼飞行器不需要人驾驶，便于完成某些特殊任务，四旋翼飞行器也能利用其独特的优点为城市建设做出贡献，它能检测天气状况和空气指数来预测天气，方便人们的生活。
四旋翼飞行器主要由主控板、呈 X 交叉的 4 个电子调速器、无刷电机和桨叶组成。具有六个自由度却仅由位于十字形交叉结构末端的四个旋翼产生驱动力，是一种欠驱动、强耦合、多变量、非线性的复杂系统。这个优点可以使四旋翼飞行器在更狭小的空间以及更复杂的环境下执行任务。因此，针对微小型四旋翼飞行器的关键威廉希尔官方网站和控制理论的研究受到广大专家学者的重视。
四旋翼飞行器在结构和控制方法上跟一般的飞行器有一定的区别，四旋翼飞行器的控制系统包括姿态控制、速度控制和轨迹控制，而姿态控制是整个飞行控制的核心。姿态控制策略的优劣直接影响速度控制和轨迹控制的品质。目前的四旋翼飞行器有多种适合的控制算法，如PID、PD、LQ、反演控制、滑模控制、神经网络控制、鲁棒控制等。因此，不仅要能够精确的控制飞行姿态，更要具有较强的抗干扰能力和适应能力。要保证其具有良好的性能，必须设计采用优秀的飞行控制算法。PID控制在工业控制领域应用广泛，原理简单、鲁棒性好、可靠性高，科技人员在长期的工程实践中积累了大量的控制系统设计经验，在四旋翼飞行器姿态控制中，PID控制威廉希尔官方网站成熟，易于实现。
因此，本项目基于PID控制的四旋翼仿真研究，并通过不同条件下的仿真，改进控制方法以实现四旋翼飞行器在不确定性干扰和模型参数变化的情况下对飞行姿态的稳定控制，使其在复杂环境下也能保证安全稳定运行。
二、研究方案（根据项目类别选择论述内容）
1、研究内容
⑴研究目标：实现四旋翼无人机的PID控制，减小非线性或时变过程引起的飞行误差，并对做出的实物进行验证分析。
⑵研究内容：基于PID控制的四旋翼飞行器仿真研究及实验分析。
⑶研究方法：
①了解四旋翼构成，熟悉其数学模型，并对模型进行适当简化，便于控制设计；
②根据牛顿-欧拉方程建立四旋翼飞行器的动力学模型，并基于小扰动方法将非线性模型线性化。
③构建各控制通道的传递函数，对各个通道设计了PID控制器并对其参数进行调整以减少飞行过程中的不稳定和灵敏度问题。
⑷实验方案：
①搭建matlab/Simulink、Adams仿真平台，通过设计不同干扰条件验证控制性能，分析PID控制参数的选取对闭环性能的影响，并依据实验结果对算法进行改进。
②通过飞行实验对所设计的PID控制器的有效性进行验证，并根据验证结果对飞行器的硬件进行调整改进。
预期的研究成果及提供成果的形式：形成相关设计，完成相关的仿真系统搭建，完成报告；动手实践，根据仿真系统的设计，完成四旋翼飞行器的制作，并进行四旋翼飞行器性能的测试。（报告+仿真验证系统+实物及测试结果）
考核指标：实现四旋翼飞行器的PID控制，通过对飞行器工作模式和控制参数的研究，得到相应的控制算法，通过编程实现，模拟相应的飞行姿态，最终实现四旋翼飞行器的自主飞行、自主悬停控制等；通过仿真系统分析所提供的算法分析四旋翼飞行器的各项性能。