基于模糊PID四旋翼飞行器姿态控制
基于模糊ＰＩＤ四旋翼飞行器姿态控制张㊀萍ꎬ雷㊀宁(江阴职业技术学院电子信息工程系ꎬ江苏江阴２１４４００)摘㊀要:在四旋翼飞行器飞行过程中ꎬ优良的姿态控制是实现飞行器稳定飞行的前提ꎮ为了实现姿态控制ꎬ对四旋翼飞行器进行了受力分析ꎬ建立了非线性数学模型ꎬ根据专家经验制定了模糊控制规则ꎬ设计了四旋翼飞行器姿态控制的模糊ＰＩＤ控制器ꎬ并对其建立了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型和搭建了试验平台ꎮＳｉｍｕｌｉｎｋ模型仿真和飞行器试验平台验证结果表明:姿态角实际输出波形与其期望波形基本一致ꎬ所设计的模糊ＰＩＤ控制器具有一定的可行性和有效性ꎬ能对四旋翼飞行器姿态进行有效控制ꎮ关键词:姿态控制ꎻ非线性数学模型ꎻ模糊控制规则ꎻ模糊ＰＩＤ控制器中图分类号:ＴＰ３９１.９㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１ ６５４Ｘ(２０１９)０３ ０１１５ ０４ＡｔｔｉｔｕｄｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＱｕａｄｒｏｔｏｒＢａｓｅｄｏｎＦｕｚｚｙＰＩＤＺＨＡＮＧＰｉｎｇꎬＬＥＩＮｉｎｇ(ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＪｉａｎｇｙｉｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅꎬＪｉａｎｇｙｉｎ２１４４００ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒꎬｅｘｃｅｌｌｅｎｔａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｉｓｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｆｏｒａｃｈｉｅｖｉｎｇｓｔａｂｌｅｆｌｉｇｈｔ.Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌꎬｔｈｅｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎬｔｈｅｎｏｎｌｉｎ￣ｅａｒｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬｔｈｅｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｒｕｌｅｓａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｔｅｘｐｅ￣ｒｉｅｎｃｅꎬｔｈｅｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｏｎｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬｓｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄａｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｂｕｉｌｔ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅａｃｔｕａｌｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅａｎｇｌｅｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｉｔｓｅｘｐｅｃｔｅｄｗａｖｅｆｏｒｍꎬｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｈａｓｃｅｒ￣ｔａｉｎｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓꎬａｎｄｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅａｔｔｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｑｕａｄｒｏｔｏｒ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌꎻｎｏｎｌｉｎｅａｒｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌꎻｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｒｕｌｅꎻｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ引言四旋翼飞行器由于其在航拍㊁搜救㊁险情巡视等方面得到了广泛应用ꎬ因而受到了许多学者的广泛关注ꎮ四旋翼飞行器控制主要包括位置控制和姿态控制ꎬ姿态控制不但会影响飞行器的姿态角ꎬ而且对其位置控制也有影响ꎬ因此姿态控制是四旋翼飞行器飞行控制的前提和基础ꎮ对于四旋翼飞行器姿态控制ꎬ目前反步法[１－２]㊁自适应控制㊁滑模控制[３－５]㊁自抗扰控制[６]等多种控制算法使用较多ꎮ由于ＰＩＤ控制原理简单ꎬ容易掌握ꎬ使用方便ꎬ并具有较强的适应性和较好的鲁棒性ꎬ其控制品质对被控对象的变化不太敏感ꎬ因此使用最为普遍ꎮ经典ＰＩＤ控制器是以误差反馈来消除误差ꎬ这种处理方式易造成闭环系统 快速性 和 超调 之间的矛盾ꎬ因此ＰＩＤ控制器闭环系统对ＰＩＤ增益变化很敏感ꎬ而四旋翼飞行器处于经常变化的环境之中ꎬ因此需要根据环境的变化来调整ＰＩＤ增益ꎮ模糊ＰＩＤ控制就是根据环境的变化不断调节ＰＩＤ系数ꎬ从而实现飞行器姿态最优控制ꎮ１㊀四旋翼飞行器系统总体设计四旋翼飞行器包括系统电源㊁姿态传感器㊁２.４Ｇ通信模块㊁电机驱动模块和ＵＳＢ Ｓｅｒｉａｌ协议转换等多个模块ꎬ如图１所示ꎮ四旋翼飞行器动力电池一般使用３.７Ｖ锂电池ꎬ而系统需要的是３.３Ｖ电压ꎬ如果电池提供的３.７Ｖ电压直接作为ＬＤＯ稳压管输入ꎬ一旦四旋翼电机旋转起来ꎬ电池输出电压会被迅速拉低ꎬ致使ＬＤＯ不能正常工作ꎬ因此电池输出电压需要先通过ＤＣ ＤＣ升压模块ＢＬ８５３０升压到５Ｖꎬ然后由低压差ＬＤＯ稳压管㊀收稿日期:２０１９－０２－２５㊀㊀㊀修订日期:２０１９－０４－１８㊀基金项目:２０１８年江阴职业技术学院立项科研项目资助(１８Ｅ ＤＺ－１８)㊀作者简介:张㊀萍(１９７５－)ꎬ女ꎬ湖北随州人ꎬ副教授ꎬ主要研究方向为电子与通讯以及嵌入式技术应用ꎮ第４９卷㊀第３期航空计算技术Ｖｏｌ.４９Ｎｏ.３２０１９年５月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＭａｙ２０１９ＭＥ６２１９稳压到３.３Ｖꎬ从而保证系统正常供电ꎬ如图２所示ꎮ图１㊀系统总体结构图２㊀电源模块系统姿态传感器主要包括陀螺仪㊁加速度计和电子罗盘ꎬ陀螺仪可精确感测多轴旋转角速度ꎬ加速度计用来感测线性加速度与倾斜角度ꎬ电子罗盘是利用地磁场来感测物体移动方向ꎬ四旋翼飞行器就是利用这些姿态传感器来感测飞行器在空中的姿态和运动状态的ꎮ系统２.４Ｇ通信模块包括ＮＲＦ２４Ｌ０１无线模块和蓝牙透传模块ꎬ这两种模块都是采用２.４ＧＨｚ频率作为载波ꎬ只是采用的通信协议不同ꎮ为了增强四旋翼飞行器的使用灵活性ꎬ系统安装了蓝牙透传模块ꎬ用来接收手机发送的控制信号ꎬ只需要在手机上开发遥控Ａｐｐꎬ就可以使手机与四旋翼直接对接ꎬ使用非常方便ꎮ但是蓝牙控制距离一般在１０ｍ以内ꎬ控制距离有限ꎬ因此系统增设了ＮＲＦ２４Ｌ０１无线模块用来接收遥控器发送的控制信号ꎬ由于遥控器上使用的是带有功率放大的ＮＲＦ２４Ｌ０１模块ꎬ并安装了鞭状天线ꎬ因此通信距离可以达到１００ｍꎮ２㊀四旋翼飞行器非线性数学模型建立为了建立四旋翼飞行器数学模型ꎬ需要引入地理坐标系ｎ(ＸꎬＹꎬＺ)与载体坐标系ｂ(ｘꎬｙꎬｚ)ꎬ地理坐标系又称为东北天坐标系ꎬ载体坐标系固连于飞行器上ꎬ原点为飞行器中心ꎮ飞行器运动包含平行移动和转动ꎬ在地理坐标系中ꎬ平行移动用线位移ｘꎬｙꎬｚ表示ꎬ转动用俯仰角θ㊁横滚角Φ㊁偏航角φ表示ꎮ通过改变４个螺旋桨的转速可以实现四旋翼的运动控制ꎬ通过同时等量增加或者减少４个旋翼转速ꎬ可以实现飞行器上升或者下降ꎮ通过改变某个旋翼的转速ꎬ可以实现飞行器俯仰或者横滚运动ꎮ通过同时改变两个正桨或者两个反桨的的转速ꎬ并保持旋翼产生的总升力与机体重力相等ꎬ可以实现飞行器偏航运动ꎮ飞行器在低速飞行情况下ꎬ空气阻力忽略不计ꎮ通过对四旋翼飞行器进行受力分析ꎬ并根据牛顿第二定律和牛顿 欧拉方程ꎬ可求得四旋翼飞行器在低速飞行情况下的非线性动力学模型如下:ｘ‥＝(ｓｉｎφｓｉｎϕ＋ｃｏｓφｓｉｎθｃｏｓϕ)ｕ１ｍｙ‥＝(ｓｉｎφｓｉｎθｃｏｓϕ－ｃｏｓφｓｉｎϕ)ｕ１ｍｚ‥＝ｃｏｓθｃｏｓϕｕ１ｍ－ｇϕ‥＝ｕ２/Ｉｘｘθ‥＝ｕ３/Ｉｙｙφ‥＝ｕ４/Ｉｘｘìîíïïïïïïïïïïïï式中ꎬｕ１＝ｋＦð４ｉ＝１ω２ｉꎬｕ２＝ｋＦｌ(ω２４－ω２２)ꎬｕ３＝ｋＦｌ(ω２３－ω２１)ꎬｕ４＝ｋＭ(ω２１＋ω２３－ω２２－ω２４)ꎻｋＦꎬｋＭ是力矩系数ꎻｌ是电机轴线到飞行器中心的距离ꎮ由此可见ꎬ四旋翼飞行器是以ｕ１ꎬｕ２ꎬｕ３ꎬｕ４为输入ꎬ以线位移ｘꎬｙꎬｚ和角位移ϕꎬθꎬφ为输出的角运动会影响线运动的非线性系统ꎮ３㊀模糊ＰＩＤ控制器的设计３.１㊀模糊ＰＩＤ控制器输入输出变量模糊ＰＩＤ控制器主要是由ＰＩＤ控制器和模糊控制器两部分组成ꎬ如图３所示ꎮ检测变送环节不断检测系统实际输出ꎬ并与设定输入进行实时比较ꎬ得到ＰＩＤ控制部分和模糊控制部分输入所需的偏差和偏差变化率ꎮ模糊控制器将偏差和偏差变化率进行模糊化处理ꎬ根据一定的模糊推理规则进行推理和清晰化处理ꎬ得到ＰＩＤ控制器所需要的比例㊁积分和微分变化量ꎮ本文采用姿态角及其变化率作为系统输入ꎬ根据姿态６１１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航空计算技术㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４９卷第３期角及其变化率实时求得ΔＫｐꎬΔＫｉ和ΔＫｄꎬ实时调节ＰＩＤ控制器的比例㊁积分和微分系数ꎬ从而实现对姿态角的实时控制ꎮ图３㊀模糊ＰＩＤ控制器总体结构图模糊控制逻辑输入输出变量的论域[７]分别为:ｅ[－５ꎬ５]ꎬｅｃ[－５ꎬ５]ꎬΔＫｐ[０ꎬ０.５]ꎬΔＫｉ[０ꎬ０.５]和ΔＫｄ[０ꎬ０.０５]ꎮ输入变量ｅ和ｅｃ的模糊分割数均为７ꎬ用{ＮＢꎬＮＭꎬＮＳꎬＺꎬＰＳꎬＰＭꎬＰＢ}进行描述ꎻ输出变量ΔＫｐꎬΔＫｉꎬΔＫｄ的模糊分割数均为５ꎬ分别用{Ｋｐ１ꎬＫｐ２ꎬＫｐ３ꎬＫｐ４ꎬＫｐ５}ꎬ{Ｋｉ１ꎬＫｉ２ꎬＫｉ３ꎬＫｉ４ꎬＫｉ５}和{Ｋｄ１ꎬＫｄ２ꎬＫｄ３ꎬＫｄ４ꎬＫｄ５}进行描述ꎮ３.２㊀模糊控制规则当输入变量ｅ和ｅｃ越大ꎬ比例系数变化ΔＫｐ应该越小ꎬ以避免误差幅度过大和系统输出出现较大超调ꎻ积分系数变化ΔＫｉ则应该越大ꎬ以消除系统偏差ꎬ减小稳态误差ꎻ微分系数变化ΔＫｄ也应该越大ꎬ以阻止被调参数的变化ꎬ使系统超调量减小ꎬ稳定性增加ꎬ动态误差减小ꎮ根据以上要求制定出４９条模糊控制规则ꎬ具体如表１和表２所示ꎮ表１㊀输出变量ΔＫｐ模糊控制规则ΔＫｐ姿态角偏差ｅＮＢＮＭＮＳＺＰＳＰＭＰＢ姿态角偏差变化率ｅｃＮＢＫ１Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ１ＮＭＫ１Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ３Ｋ２Ｋ１ＮＳＫ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ４Ｋ３Ｋ２ＺＫ３Ｋ４Ｋ５Ｋ５Ｋ５Ｋ４Ｋ３ＰＳＫ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ４Ｋ３Ｋ２ＰＭＫ１Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ３Ｋ２Ｋ１ＰＢＫ１Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ１表２㊀输出变量ΔＫｉ和ΔＫｄ模糊控制规则ΔＫｉꎬΔＫｄ姿态角偏差ｅＮＢＮＭＮＳＺＰＳＰＭＰＢ姿态角偏差变化率ｅｃＮＢＫ５Ｋ５Ｋ４Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ５ＮＭＫ５Ｋ４Ｋ３Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５ＮＳＫ４Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｋ４ＺＫ３Ｋ２Ｋ１Ｋ１Ｋ１Ｋ２Ｋ３ＰＳＫ４Ｋ３Ｋ２Ｋ１Ｋ２Ｋ３Ｋ４ＰＭＫ５Ｋ４Ｋ３Ｋ２Ｋ３Ｋ４Ｋ５ＰＢＫ５Ｋ５Ｋ４Ｋ３Ｋ４Ｋ５Ｋ５３.３㊀模糊ＰＩＤ控制器仿真结果分析根据模糊ＰＩＤ控制器的结构图㊁输入输出变量隶属度函数和模糊控制规则ꎬ设计出模糊ＰＩＤ四旋翼飞行器姿态控制Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型[８]ꎬ如图４所示ꎮ图４㊀模糊ＰＩＤ四旋翼飞行器姿态控制Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型姿态角偏差ｅ和偏差变化率ｅｃ采用正弦输入[９]ꎬ仿真时长为１０ｓꎬ仿真算法采用ｏｄｅ４５ꎬ姿态控制Ｓｉｍｕ￣ｌｉｎｋ模型仿真结果如图５㊁图６所示ꎮ从图中可以看出ꎬ姿态角实际输出波形与其期望波形基本相同ꎬ仿真图５㊀输出变量ΔＫｐꎬΔＫｉ和ΔＫｄ的仿真输出图６㊀姿态角正弦输入与仿真输出波形对照７１１ ２０１９年５月张㊀萍等:基于模糊ＰＩＤ四旋翼飞行器姿态控制㊀㊀㊀㊀㊀效果较好ꎬ从而说明所设计的模糊ＰＩＤ四旋翼飞行器姿态控制模型的可行性和有效性ꎮ３.４㊀仿真结果验证为了验证所设计的模糊ＰＩＤ控制器的实际效果ꎬ搭建了四旋翼飞行器试验平台进行验证ꎮ该试验平台主控ＭＣＵ选用的是３２位ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ Ｍ内核的ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｔ８Ｕ６ꎬ电机驱动采用的是场效应管ＳＩ２３０２ꎬ惯性导航模块ＩＭＵ采用的是内部集成了３轴陀螺仪和３轴加速度的传感器ＭＰＵ６０５０和电子罗盘ＨＭＣ５８８３Ｌꎬ无线控制采用的是２.４Ｇ无线射频芯片ＮＲＦ２４Ｌ０１ꎬ姿态控制采用的是所设计的模糊ＰＩＤ控制器ꎮ实验证明:该系统所设计的模糊ＰＩＤ控制器能对四旋翼飞行器姿态进行有效控制ꎮ４㊀结束语本文介绍了系统总体结构设计ꎬ对四旋翼飞行器进行了受力分析ꎬ建立了其非线性数学模型ꎬ设计了姿态角模糊ＰＩＤ控制器ꎬ并搭建了其ＭＡＴＬＡＢ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型ꎬ通过仿真结果分析和仿真结果验证可知:本文所设计的姿态角模糊ＰＩＤ控制器设计合理ꎬ动态性能和稳定性较好ꎬ能够较好地实现四旋翼飞行器姿态角控制ꎮ参考文献:[１]㊀范云生ꎬ曹亚博ꎬ赵永生.四旋翼飞行器轨迹跟踪控制器的设计与验证[Ｊ].仪器仪表学报ꎬ２０１７ꎬ３８(３):７４２－７４９.[２]㊀石川ꎬ林达.基于自适应积分反步的四旋翼飞行器控制[Ｊ].计算机应用研究ꎬ２０１８ꎬ３５(１１):１４４－１４８. [３]㊀何泉林ꎬ佃松宜ꎬ蒲明.干扰观测器补偿的四旋翼飞行器自适应离散终端滑模控制[Ｊ].电光与控制ꎬ２０１７ꎬ２４(９):１１－１６.[４]㊀陈诚ꎬ韦常柱ꎬ琚啸哲ꎬ等.基于滑模观测补偿的四旋翼飞行器鲁棒动态逆控制[Ｊ].系统工程与电子技术ꎬ２０１８ꎬ４０(１):１１９－１２５.[５]㊀刘云平ꎬ黄希杰ꎬ李先影ꎬ等.四旋翼飞行器的滑模ＰＩＤ轨迹跟踪控制[Ｊ].机械科学与技术ꎬ２０１７ꎬ３６(１２):１８５９－１８６５.[６]㊀刘敏ꎬ吉月辉ꎬ李俊芳ꎬ等.四旋翼飞行器自抗扰姿态控制[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１６ꎬ３３(３):７１－７５.[７]㊀张新英ꎬ余发军ꎬ刘聪.基于模糊ＰＩＤ控制的四旋翼无人机设计[Ｊ].实验室研究与探索ꎬ２０１７ꎬ３６(４):５６－５９. [８]㊀李一波ꎬ宋述锡.基于模糊自整定ＰＩＤ四旋翼无人机悬停控制[Ｊ].控制工程ꎬ２０１３ꎬ２０(５):９１０－９１４. [９]㊀张镭ꎬ李浩.四旋翼飞行器模糊ＰＩＤ姿态控制[Ｊ].计算机仿真ꎬ２０１４ꎬ３１(８):７３－７７.(上接第１１４页)ＲＦＳ/ＴＦＳ连接ＰＤ３０管脚ꎬＳＣＫ连接ＳＰＩＣＬＫꎬＤＡＴＡＯＵＴ连接ＳＰＩＭＩＳＯꎬＤＡＴＡＩＮ连接ＳＰＩＭＯＳＩꎮＡＤ７８９０芯片的ＡＤ通道外接模拟信号源ꎬ捕获数字信号后经转换获得测量点信号电压值ꎮＳＰＩ初始化设置时钟极性值 １ ꎬ时钟相位值 ０ ꎻ１６分频ＢＲＧＣＬＫꎬ即ＳＰＩＣＬＫ时钟频率为(３９６/４)/１６＝６.１８７５ＭＨｚꎮＡＤ７８９０芯片８个通道的工作控制和数据采集如表２所示ꎬ结果表明ＳＰＩ接口正常工作ꎬ能够准确的获取测量点电压值ꎮ进行多次测试验证ꎬ数据转换稳定ꎬ测量结果正确ꎮ５㊀结束语本文给出了ＰｏｗｅｒＰＣ８２７０数据处理模块的ＳＰＩ接口的硬件设计与驱动设计ꎬ实现了与ＡＤ７８９０芯片的ＳＰＩ通信ꎬ处理器可以快速㊁便捷地读取电压采样值ꎮ该设计硬件电路简单ꎬ软件配置丰富灵活ꎬ操作简单ꎬ能够满足多种ＳＰＩ通信需求ꎮ参考文献:[１]㊀ＦｒｅｅｓｃａｌｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｃ.ＭＰＣ８２８０ＰｏｗｅｒＱＵＩＣＣＴＭＩＩＦａｍｉｌｙＨａｒｄｗａｒｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｒ].ＴｅｘａｓꎬＡｍｅｒｉｃａ:Ｆｒｅｅｓ￣ｃａｌｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｃꎬ２００７.[２]㊀ＦｒｅｅｓｃａｌｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｃ.ＭＰＣ８２８０ＰｏｗｅｒＱＵＩＣＣＴＭＩＩＦａｍｉｌｙＲｅｆｅｒｅｎｃｅＭａｎｕａｌ[Ｒ].ＴｅｘａｓꎬＡｍｅｒｉｃａ:ＦｒｅｅｓｃａｌｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｃꎬ２００５.[３]㊀杨晓ꎬ李战明.面向系统级芯片的串行外设接口模块设计[Ｊ].计算机应用ꎬ２０１５ꎬ３５(１２):３６０７－３６１０. [４]㊀冯军波.ＰＰＣ８２７０通过ＳＰＩ与ＡＤ７８９０进行通信的实现[Ｊ].航空计算技术ꎬ２０１７ꎬ４７(５):１１２－１１４. [５]㊀ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ.ＡＤ７８９０:ＬＣ２ＭＯＳ８－Ｃｈａｎｎｅｌꎬ１２－ＢｉｔＳｅ￣ｒｉａｌꎬＤａｔａＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＤａｔａＳｈｅｅｔ(Ｒｅｖ.Ｃ)[Ｒ].Ｍａｓ￣ｓａｃｈｕｓｅｔｔｓꎬＡｍｅｒｉｃａ:ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓꎬ２００６.８１１ ㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀航空计算技术㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第４９卷第３期。
一种基于pid四旋翼飞行器控制系统的设计方法
一种基于pid四旋翼飞行器控制系统的设计方法基于PID（Proportional-Integral-Derivative）控制系统的四旋翼飞行器设计方法，是一种经典且有效的飞行器控制方法。
本文将详细介绍该设计方法的步骤和原理，并说明其在四旋翼飞行器控制中的应用。
一、PID控制系统概述PID控制系统是一种基于反馈机制的控制方法，通过测量被控对象的输出值与设定值之间的误差，并将误差经过比例、积分和微分三个环节进行处理，输出控制信号来调整被控对象的行为，使其逐渐接近设定值。
在四旋翼飞行器控制中，PID控制器主要用于调整电机转速，从而实现飞行器的姿态稳定。
二、PID控制器设计步骤：1.确定控制目标：首先明确需要控制的目标，例如四旋翼飞行器的姿态、飞行速度等。
2.选择传感器：根据控制目标，选择适合的传感器来测量相关参数，例如加速度计、陀螺仪等。
3.设置PID参数：通过实验或经验，设置合适的PID参数。
其中，比例参数（P）用于调整系统的响应速度和稳定性，积分参数（I）用于消除系统静差，微分参数（D）用于减少系统的震荡和过调。
4.编写控制算法：在控制器中，根据测量值与设定值之间的误差，计算PID控制器的输出信号。
通常的计算公式为：控制信号=Kp*偏差+Ki*积分误差+Kd*微分误差其中，Kp、Ki和Kd分别代表比例、积分和微分参数。
5.实施控制策略：将控制信号转化为实际控制动作，例如通过调整电机转速来改变四旋翼飞行器的姿态。
6.实时调整参数：通过实验不断调整PID参数，使飞行器的控制效果更加优化。
三、PID控制器在四旋翼飞行器中的应用在四旋翼飞行器控制中，PID控制器主要用于调整电机转速，以实现飞行器的姿态稳定。
通过测量四旋翼飞行器的姿态角度和速度，计算出与设定值之间的误差，并通过PID控制器输出信号，调节电机转速，使姿态误差趋近于0，实现飞行器的稳定飞行。
在此过程中，通过调整PID参数，可以根据不同的飞行器要求和环境条件进行优化。
基于串级模糊PID的四旋翼姿态控制研究
关键词：四旋翼；飞控；串级模糊 PID；模糊规则
中图分类号：TN108.4
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2018）17-0145-05
Research on attitude control of quadrotor based on cascade fuzzy PID
GUO Jia⁃hui，REN Meng⁃jie （Academy of Artillery and Air Defense Army，Hefei 230031，China）
收稿日期：2017-09-24 稿件编号：201709105
作者简介：郭佳晖（1993—），男，安徽含山人，硕士研究生。研究方向：数字电路设计，多旋翼无人机控制等。 -145-
《电子设计工程》2018 年第 17 期
1 四旋翼飞行控制器硬件设计
飞行控制器是四旋翼无人机最重要的部件[5]，飞 控的优劣直接决定了无人机的飞行性能，对此，本文 根 据 四 旋 翼 的 姿 态 控 制 需 求 ，自 主 设 计 了 飞 行 控 制 器的硬件电路，其框图如图 1 所示。该飞控具备 8 路 电机输出以及 6 路遥控器信号采集功能，板载了三 轴加速度计，三轴陀螺仪，三轴磁力计以及高精度气 压 计 ，同 时 预 留 了 超 声 波 ，无 线 数 传 ，光 流 传 感 器 ， GPS 等模块的接口，功能强大，扩展性极强。为姿态 控制算法的研究与实验提供了条件。
题，然而这些 PID 控制器也存在一定的不足，最突出 的 就 是 其 控 制 参 数 固 定 不 变 ，鲁 棒 性 和 自 适 应 能 力 差，更多的时候只适用于线性系统[4]，因此，其难以应 付 较 大 的 姿 态 角 调 整 ，只 能 将 四 旋 翼 的 控 制 角 度 限 制 在 一 个 较 小 的 范 围 内 ，这 对 四 旋 翼 的 灵 活 性 与 机 动性都产生了极大的影响。
基于PID的四旋翼姿态控制
Electronic technology・ 电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 175【关键词】四旋翼姿态控制 PI-PD 控制器 控制效果 参数整定近年来，随着微型系统、微型传感器、惯导技术以及飞行控制等技术的发展，四旋翼飞行器（以下简称四旋翼）引起了人们的广泛关注。
四旋翼是通过改变四个旋翼的转速来调整其在空中的飞行姿态，包括俯仰角θ、横滚角φ、偏航角ψ，从而控制机体水平方向上的运动，因此四旋翼的姿态控制是决定其飞行性能的关键所在。
在工业过程控制和航空航天控制等领域中，PID 控制的应用达到80 %以上，不过由于四旋翼系统的强非线性、惯性和延迟，PID 控制器对四旋翼姿态的调整效果往往出现较多的系统超调量，或者调整时间较长，控制效果并不令人满意。
因此，设计一种能够抑制系统超调量，并且保证系统快速收敛的控制器，可以提高四旋翼系统的稳定性和控制性。
1 PID控制器基本原理PID 控制器结构简单、方便调试，广泛应用于工业生产中。
PID 控制器是根据系统输出的误差值调节系统输出的控制形式，包含比例控制（P ）、积分控制（I ）和微分控制（D ），基于PI-PD 控制器的四旋翼姿态控制文/唐健杰 王鑫其连续PID 控制的结构形式为：（1）其中u(t)为系统输出，Kp 、Ki 、Kd 分别为比例、积分和微分系数，e(t)=y(r)-y(t)为期望值与输出量的差值，即输出误差。
而对于数字控制系统，可将PID 控制器离散化，得到离散PID 的结构形式：（2）其中，为所有误差值累加之和，Δe(t)=e(t)-e(t-1)，等效微分运算。
当期望值在相邻的采样周期保持不变时，y(r)=y(r-1)，Δe(t)=-y(t)+y(t-1)，Δe(t)即为系统输出的变化量。
若基于PID 控制器来对四旋翼的姿态进行调控，参数整定难度较大，调控效果不佳。
基于区间二型模糊PID的四旋翼无人机姿态控制
基于区间二型模糊PID的四旋翼无人机姿态控制
吴彪;院老虎;李威
【期刊名称】《控制工程》
【年(卷),期】2024(31)4
【摘要】针对传统PID控制与一型模糊控制在四旋翼无人机姿态控制中响应速度慢、超调量大等问题,提出了一种区间二型模糊控制与传统PID控制相结合的控制算法。
首先,在一型模糊系统的基础上对系统的单值前件和后件进一步模糊化形成区间前件和后件,更适于处理模糊信息。
其次,利用具有停止条件的改进迭代算法(enhanced iterative algorithm with stop condition,EIASC)进行降型过程中开关点的计算,减少了计算时间,并将求解出的参数变化量作为初始PID控制参数值的补偿。
最后,在建立的四旋翼无人机动力学模型上对所提算法进行仿真验证,仿真结果表明,所提算法比传统PID控制算法和一型模糊PID控制算法具有更快的响应速度、更高的稳态精度和更小的超调量。
【总页数】8页(P636-643)
【作者】吴彪;院老虎;李威
【作者单位】沈阳航空航天大学航空宇航学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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5.基于模糊PID的四旋翼无人机飞行姿态控制
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基于模糊PID的四旋翼姿态控制器设计
基于模糊PID的四旋翼姿态控制器设计
卢婷;孙明
【期刊名称】《工程技术研究》
【年(卷),期】2017(000)011
【摘要】目前四旋翼飞行器的控制器大多采用经典PID控制器,经典PID控制器具有算法易实现、鲁棒性强等优点,但其很难达成最优的控制效果,文章针对这一问题提出了模糊PID控制器,用于四旋翼的姿态控制。
在分析四旋翼的数学模型及其姿态控制方法的基础上,设计了经典PID控制器和模糊PID控制器,并在matlab环境下进行了仿真对比验证,从实验结果得出模糊PID具有更好的动态性和稳定性。
【总页数】3页(P28-30)
【作者】卢婷;孙明
【作者单位】江南大学物联网工程学院;江南大学物联网工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】V249.1
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1.基于模糊PID的四旋翼姿态控制器设计 [J], 卢婷;孙明
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基于PID与滑模控制的四旋翼姿态控制_仿真与实验
基于PID与滑模控制的四旋翼姿态控制_仿真与实验基于PID与滑模控制的四旋翼姿态控制：仿真与实验摘要：四旋翼无人机作为一种具有广泛应用前景的飞行器，其姿态控制技术一直备受关注。
本文基于PID与滑模控制方法，针对四旋翼的姿态控制问题进行了研究。
首先，建立了四旋翼的动力学模型，并设计了PID控制器用于姿态控制。
然后，引入滑模控制方法，通过设计滑模面和控制律，实现了对四旋翼的姿态控制。
最后，通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性。
引言：随着无人机技术的发展，四旋翼无人机作为一种灵活、机动性强的飞行器，被广泛应用于农业、航拍、物流等领域。
然而，四旋翼无人机在实际飞行中容易受到外界干扰而导致姿态失控，因此姿态控制技术显得尤为重要。
方法：本文采用了PID与滑模控制相结合的方法实现四旋翼的姿态控制。
首先，建立了四旋翼的动力学模型，包括俯仰角、横滚角和偏航角。
然后，设计了PID控制器，通过对误差的比例、积分和微分进行调节，实现了对四旋翼的姿态控制。
接着，引入滑模控制方法，通过设计滑模面和控制律，使系统能够在有限时间内从初始状态滑到滑模面上，进而实现对四旋翼的姿态控制。
结果：通过仿真实验和实际飞行实验，验证了所提出方法的有效性。
仿真实验结果表明，PID与滑模控制相结合的方法能够实现对四旋翼的姿态控制，并具有较好的性能指标。
实际飞行实验结果进一步证明了所提出方法的可行性和实用性。
结论：本文基于PID与滑模控制方法，研究了四旋翼的姿态控制问题，并通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性。
结果表明，PID与滑模控制相结合的方法能够实现对四旋翼的姿态控制，并具有较好的控制性能。
未来的研究可以进一步优化控制器参数，提高四旋翼的姿态控制性能。
此外，还可以考虑引入其他控制方法，如模糊控制、自适应控制等，进一步提高四旋翼的飞行性能和安全性。
四旋翼飞行器模糊PID姿态控制_张镭
。根据以上几点原则并综合考虑参数 ΔKp、 ΔKd
对整个系统动态及稳态性能的控制效果 ， 最终建立本控制器 2 所示： 的模糊规则如表 1 、
图5 参数 E 的隶属函数 ΔK p NB NM NS Z PS PM PB NB PB PB PM PM PS PS Z 表1 关于 ΔK p 的模糊规则（ EC） NS PM PM PM PS Z NS NM Z PM PS PS Z NS NM NM PS PS PS Z NS NS NM NM PM Z Z NS NM NM NM NB PB Z NS NS NM NM NB NB
图13物理平台实际效果4结论本文通过在mab环境下建立四旋翼飞行器的非线性模型分别设计了模糊pid控制器模型和常规pid控制器模型并在软件平台下对两种控制器的系统控制效果进行了软件仿真仿真结果表明模糊pid控制器在动态性能及稳态性能上均优于常规pid控制器模糊pid控制器能更好的实现对四旋翼飞行器的控制
图4 PID 控制器框图
PID 控制部分选取初始 参 数 Kp 为 50 ， Kd 为 30 ， 模糊 PID 控制器的 PID 控制模型如图 4 所示。
以控制四旋翼飞行器的俯仰姿态角为例 ， 选取俯仰角度 和角速度作为模糊控制器的输入 ， ΔK p 、 ΔK d 为模糊推理部分 EC， ΔK p ， ΔK d ； 设定其论 的输出。他们的语言变量分别为 E， EC： ｛ － 0. 15 0. 15 ｝ ， 域为 E： ｛ － 0. 1 0. 1 ｝ ， ΔK p ： ｛ － 10 10 ｝ ， 、 “负 中 （ NM） ” 、 “负 小 ΔK d ： ｛ － 5 5 ｝ 。 选 取“负 大 （ NB） ” （ NS ）” 、 “零（ Z ）” 、 “正小（ PS ）” 、 “正中 （ PM ）” 、 “正大 （ PB ） ” NM， NS， Z， PS， PM， 描述 系 统 变 量， 得 到 系 统 子 集 为 ｛ NB， PB｝ ， 变量隶属函数选取为： 左边梯形隶属函数， 中间三角形 隶属函数， 右边梯形隶属函数的组合函数形式
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述四旋翼飞行器是一种由四个旋翼组成的无人机，可以垂直起降和定点悬停，具有灵活性和机动性。
它的飞行控制技术可以分为姿态控制和位置控制两种基本类型。
姿态控制是指控制飞行器姿态（包括横滚、俯仰和偏航），而位置控制则是控制飞行器的定点飞行或航线飞行。
下面将对这两种控制技术进行详细介绍。
一、姿态控制技术1. 传统PID控制PID控制是一种经典的控制方法，它通过比例、积分和微分三个分量的组合来调节系统的输出。
在四旋翼飞行器中，PID控制可以用来控制姿态，使飞行器保持平稳的飞行状态。
通过对角速度和角度的反馈控制，可以实现对飞行器姿态的精确控制。
但是PID控制也存在一些问题，比如对于非线性系统和参数变化的系统，PID控制的性能会受到影响。
2. 模糊控制模糊控制是一种可以应对非线性系统和模糊环境的控制方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用模糊控制来实现对姿态的精确控制。
通过建立模糊规则库，可以将模糊的输入与输出进行映射，实现对飞行器姿态的控制。
模糊控制可以有效地应对系统的非线性特性，但是对规则库的设计和参数的选择需要较大的经验和技巧。
3. 神经网络控制4. 遗传算法控制遗传算法是一种模拟生物进化的优化算法，可以用来优化系统的控制参数。
在四旋翼飞行器中，可以利用遗传算法来寻找最优的姿态控制参数，从而实现对飞行器姿态的精确控制。
遗传算法能够全局寻优，但是需要大量的计算资源和较长的优化时间。
1. GPS定位控制GPS定位是一种全球定位系统，可以实现对飞行器位置的精确控制。
在四旋翼飞行器中，可以利用GPS定位进行位置控制，实现定点飞行或航线飞行。
通过GPS模块获取飞行器的位置信息，可以实现对飞行器位置的精确控制。
但是GPS在室内或密集城市地区信号可能不太可靠。
3. 惯性导航控制惯性导航是一种通过加速度计和陀螺仪获取飞行器运动信息，并通过积分计算得到飞行器位置信息的导航方法。
在四旋翼飞行器中，可以利用惯性导航进行位置控制，实现对飞行器位置的精确控制。
基于模糊pid控制的飞机纵向姿态控制系统设计
基于模糊pid控制的飞机纵向姿态控制系统设计下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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四旋翼无人机改进模糊PID姿态控制
四旋翼无人机改进模糊PID姿态控制王文建;袁亮【摘要】四旋翼无人机(UAV)是一种强耦合、欠驱动的系统,飞行过程中易受到系统不确定性和外界干扰影响稳定性,所以提出了一种改进的模糊PID控制方法.首先对四旋翼无人机进行数学建模,设计了改进模糊PID控制方法,该方法主要由三个部分组成,模糊PID,单PID以及计算在控制输出过程中两者的权值比的模糊控制器.最后通过Matlab/Simulink仿真以及在基于STM32F405控制器的四旋翼无人机(UAV)实验平台上验证.实验结果表明,在风速为3m/s条件下,UAV能够平稳起降,对于实时性的姿态以及运动状态做出智能的控制,具有良好的鲁棒性以及控制精度.%The Unmanned Aerial Vehicles (UAV) is a strong coupling and underactuated system ,so animproved fuzzy PID was proposed to improve the control accuracy that was declined by uncertainly ,external disturbance.Fisrtly,based on the dynamic modeling of the quadrotor UAV,an improved fuzzy PID controller was designed.It is composing of three parts,which are fuzzy PID controller and single PID controller and the controller which will calculate weight ratio of the two previous controllers' output .Finally,the improved fuzzy PID controller was verified byMatlab/Simulink simulation and validation on STM32F405 experiment platform, the results show that under the condition of the wind speed is3m/s,UAV can smoothly land.For real-time gesture and motion state of intelligent control, the UAV has good robustness and control precision.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】4页(P9-12)【关键词】PID控制;模糊控制;联合控制;稳定性;鲁棒性【作者】王文建;袁亮【作者单位】新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047;新疆大学机械工程学院,新疆乌鲁木齐 830047【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP273.4四旋翼无人机涉及的主要工作包括：姿态的解算，姿态控制，定高，定点，自主导航。