农药喷洒四轴飞行器的模糊PID姿态控制
第Ｖｏ３ｌ．６３卷６ 第Ｎ５ｏ．期５
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８５３０１７．０１８７
农药喷洒四轴飞行器的模糊 ＰＩＤ姿态控制
荆学东，潘翔 ，汪泽涛
（上海应用技术大学机械工程学院，上海 ２０１４１８）
荆学东
摘要：为了实现四轴飞行器更稳定的姿态控制，建立了四轴飞行器四元数运动学方程，并给出了 四元数微分方程的解析解和数值解，在此基础上求解出了欧拉角．针对农药喷洒四轴飞行器在 作业过程中负荷发生改变后影响控制效果的问题，设计了模糊 ＰＩＤ控制器，通过 Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 仿真，对比传统 ＰＩＤ控制效果，验证了算法的可靠性．搭建了飞行器试验平台，在 ｓｔｍ３２飞控板上 编程实现算法．试验中，通过改变飞行器质量，对比了传统 ＰＩＤ和模糊 ＰＩＤ的控制效果．在飞行器 质量改变前后，模糊 ＰＩＤ比传统 ＰＩＤ的超调量分别降低 ２２％和 ３０％，上升时间分别减少 ００６， ００８ｓ，调节时间分别减少 ０７０，０８０ｓ．试验结果表明，模糊 ＰＩＤ控制系统较传统 ＰＩＤ控制具有 响应速度快、超调量小等优点，能更好地满足农业作业四轴飞行器的控制要求． 关键词：四轴飞行器；四元数法；传统 ＰＩＤ；模糊 ＰＩＤ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４－８５３０（２０１８）０５－０４５４－０７
荆学东，潘翔，汪泽涛．农药喷洒四轴飞行器的模糊 ＰＩＤ姿态控制［Ｊ］．排灌机械工程学报，２０１８，３６（５）：４５４－４６０． ＪＩＮＧ Ｘｕｅｄｏｎｇ，ＰＡＮＸｉａｎｇ，ＷＡＮＧＺｅｔａｏ．ＡｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓｐｒａｙｉｎｇｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙＰＩＤ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｄｒａｉｎａｇｅａｎｄｉｒｒｉｇａｔｉｏｎｍａｃｈｉｎｅｒｙｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＪＤＩＭＥ），２０１８，３６（５）：４５４－４６０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
Ａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓｐｒａｙｉｎｇｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔ ｂａｓｅｄｏｎｆｕｚｚｙＰＩＤ
ＪＩＮＧＸｕｅｄｏｎｇ，ＰＡＮＸｉａｎｇ ，ＷＡＮＧＺｅｔａｏ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１４１８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅａｍｏｒｅｓｔａｂｌｅａｔｔｉｔｕｄｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｓ，ａｑｕａｔｅｒｎｉｏｎｋｉｎｅ ｍａｔｉｃａｌｅｑｕａｔｉｏｎｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄａｎａｌｙｔｉｃａｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎｗｅｒｅｇｉｖｅｎｒｅ ｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｔｈｅｎｔｈｅＥｕｌｅｒａｎｇｌｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｖａｒｉａｂｌｅｌｏａｄｓｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔｗｈｅｎａｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓｐｒａｙｉｎｇｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｗａｓｗｏｒｋｉｎｇ，ａｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ． ＴｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗａｓｖａｌｉｄａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＭａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈ ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ａｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｔｅｓｔｐｌａｔｆｏｒｍ ｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｐｒｏ ｇｒａｍｍｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｎｔｈｅｓｔｍ３２ｆｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｏｆ ｔｈｅｆｕｚｚｙＰＩＤｗａｓｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤｂｙｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔ．Ｔｈｅｏｖｅｒ ｓｈｏｏｔｏｆｔｈｅｆｕｚｚｙＰＩＤｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｂｙ２２％ ａｎｄ３０％，ｔｈｅｒｉｓｉｎｇｔｉｍｅｉｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙ０．０６ｓａｎｄ０．０８ ｓ，ａｎｄｔｈｅｓｅｔｔｌｉｎｇｔｉｍｅｉｓｓｈｏｒｔｅｎｅｄｂｙ０．７０ｓａｎｄ０．８０ｓ，ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤ，ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｗｅｉｇｈｔｏｆｔｈｅａｉｒｃｒａｆｔｉｓｃｈａｎｇｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｉｓｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｆａｓｔｅｒｒｅｓｐｏｎｓｅ，ｌｅｓｓｏｖｅｒｓｈｏｏｔ，ｅｔｃ．，ｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｃａｎｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐｅｓｔｉｃｉｄｅｓｐｒａｙｉｎｇｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔｅｖｅｎｂｅｔｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｑｕａｄｒｏｔｏｒａｉｒｃｒａｆｔ；ｑｕａｔｅｒｎｉｏｎｍｅｔｈｏｄ；ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＰＩＤ；ｆｕｚｚｙＰＩＤ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ
收稿日期：２０１７－０８－１６；修回日期：２０１７－１１－２８；网络出版时间：２０１８－０３－０２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１８１４．ＴＨ．２０１８０３０２．１０１７．１３４．ｈｔｍｌ 基金项目：上海市科学技术委员会科研计划项目（１６０９０５０３７００） 第一作者简介：荆学东（１９６８—），男，安徽颍上人，教授，博士（ｊｉｎｇｋｄ２００３＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ），主要从事机器人控制技术及应用研究． 通信作者简介：潘翔（１９９２—），男，江苏东台人，硕士研究生（１０５０５６５０６７＠ｑｑ．ｃｏｍ），主要从事机器人控制技术及应用研究．
四轴专用PID参数整定方法及原理
给四轴调了好久的PID，总算是调好了，现分享PID参数整定的心得给大家，还请大家喷的时候手下留情。
首先说明一下，这篇文章的主旨并不是直接教你怎么调，而是告诉你这么调有什么道理，还要告诉大家为什么…只‟使用PID的四轴会在飞行中震荡，告诉大家为什么光使用PID并不能实现对四轴姿态‘足够好’的控制。
文章中还是涉及了不少自控原理和其他控制相关的姿势，没有一点底子的话确实会看着很困惑（不然那么些人花好几年学控制还有什么意义？）。
如果你只想知道结论的话，直接看文章开头和结尾部分就好了（作者也支持大家这么做，这样被喷的几率就小了=_=）。
本人是刚刚转行学控制，思考错误的地方还请各位大神批评指正。
Ps：用wps画系统框图太费劲了，于是就一个豆没有画……，大家不会怪罪我吧？PID控制器是什么？我想每一个看到这里的人都对PID的概念有了足够的了解，我一遍遍叽歪比例积分微分没有任何意义。
这里我只想说一些大家提的较少的‘重点’内容：PID控制器是一个线性的控制器！从这里开始我们进入正题了，虽然若干年来PID已然成为了世界上使用最普遍的控制方法，也逐渐被人们神话到几乎可以控制一切………………但是，从理论上来说，只有‘线性的，符合要求的’被控系统才能在PID控制下实现良好的控制效果。
所以说，我们首先第一步，要保证我们的被控系统在被PID控制的区域‘表现为’一个线性系统才行。
于是这里有人会说了，现实中没有哪个系统是线性的，自然，我们的四轴飞行器在大范围内是一个非常典型的非线性系统（随便按照理论推推模型就会出现漫天的三角函数），也就是说，我们‘仅’使用标准PID控制的话是不可能让四轴从各个姿态回到目标状态的过程都能保持稳定。
于是这里出现我们使用PID时要注意的第一个问题：我们的PID控制只能工作在四轴角度偏移不大的一个近似线性的区域内。
这个区域没有定论，不过你要是飞机偏了90°的话想用PID调回到水平状态指定是非常危险的事情。
PID算法在四旋翼飞行器上的应用
PID算法在四旋翼飞行器上的应用
PID（Proportional-Integral-Derivative）算法是一种用于控制系统的常见反馈控制算法，广泛应用于四旋翼飞行器的控制系统中。
PID算法主要通过对飞行器的姿态、高度以及位置进行反馈控制，使其保持稳定飞行状态。
下面将介绍PID算法在四旋翼飞行器上的三个方面的应用：
1. 姿态控制：
飞行器的姿态控制是保持飞行器的平衡和稳定的关键要素之一。
PID算法可以通过测量飞行器当前的姿态偏离目标姿态，计算出相应的控制输出，通过调整四个电机的转速来实现稳定的姿态控制。
比例项（P项）根据当前姿态偏离目标姿态的大小调整控制输出，如果偏离越大，控制输出越大；积分项（I项）用于消除系统的稳态误差，使飞行器能够更好地保持目标姿态；微分项（D项）用于抑制系统的过冲和振荡，使飞行器的响应更加平滑。
PID算法在四旋翼飞行器上具有广泛的应用，能够有效实现飞行器的姿态控制、高度控制和位置控制，使其能够稳定地完成各种任务。
在实际应用中，还可以根据具体需求进行PID算法的参数调整和优化，以获得更好的控制效果。
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。
四轴飞行器飞行原理与双闭环PID控制
四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，相对于固定翼飞行器，它的方向控制灵活、抗干扰能力强、飞行稳定，能够携带一定的负载和有悬停功能，因此能够很好地进行空中拍摄、监视、侦查等功能，在军事和民用上具备广泛的运用前景。
四轴飞行器关键技术在于控制策略。
由于智能控制算法在运行复杂的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器计算能力受限，难以达到飞行控制实时性的要求；而PID控制简单，易于实现，且技术成熟，因此目前主流的控制策略主要是围绕传统的PID控制展开。
1 四轴飞行器的结构与基本飞行原理四轴飞行器结构主要由主控板和呈十字交叉结构的4个电子调速器、电机、旋浆组成，电机由电子调速器控制，主控板主要负责解算当前飞行姿态、控制电调等功能。
以十字飞行模式为例，l号旋翼为头，1、3号旋翼逆时针旋转，2、4号旋翼顺时针旋转，如图1所示。
图1 四轴飞行器结构图参照飞行状态表1变化电机转速，由于四个电机转速不同，使其与水平面倾斜一定角度，如图l所示。
四个电机产生的合力分解为向上的升力与前向分力。
当重力与升力相等时，前向分力驱动四轴飞行器向倾斜角度的方向水平飞行。
空间三轴角度欧拉角分为仰俯角、横滚角、航向角：倾斜角是仰俯角时，向前、向后飞行；倾斜角是横滚角时，向左、向右飞行；而倾斜航向角时，向左、右旋转运动，左(右)旋转是由于顺时针两电机产生的反扭矩之和与逆时针两电机产生的反扭矩之和不等，即不能相互抵消，机身便在反扭矩作用下绕z轴自旋转。
2 姿态解算四轴飞行器运用姿态解算计算出空间三轴欧拉角。
结构框架如图2所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，而磁力传感器采样得到三轴地磁场值，将陀螺仪、加速度传感器、磁力传感器采样后的数据进行标定、滤波、校正后得到三轴欧拉角度，其中陀螺仪和加速度传感器选用MPU6050芯片，磁力传感器选用HMC5883L芯片，采用IIC总线与主控板通信。
图2 姿态解算结构图由于传感器存在器件误差，因此在使用前需要标定。
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
【相关文献】
1.基于模糊PID的四旋翼姿态控制器设计 [J], 卢婷;孙明
2.基于四旋翼动力学模型的姿态角增稳PID控制器设计 [J], 程真何
3.基于AR M的四旋翼姿态控制器设计 [J], 吴承建;沈捷;陈乾坤
4.基于串级模糊PID的四旋翼姿态控制器设计 [J], 张驰洲; 熊根良; 陈海初
5.基于自抗扰解耦模型的四旋翼姿态控制器设计 [J], 施建
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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。
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。
毕业设计论文——基于模糊PID算法的小型四旋翼无人飞行器控制系统设计
摘要四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，可以应用到航拍、考古、边境巡逻、反恐侦查等多个领域，具有重要的军用和民用价值。
四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。
本次设计对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对圆点博士的四旋翼飞行器实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。
首先，针对四旋翼飞行器的动力学特性，根据欧拉定理以及牛顿定律建立四旋翼无人直升机的动力学模型，并且考虑了空气阻力、转动力矩对于桨叶的影响，建立了四旋翼飞行器的物理模型；根据实验数据和反复推算，建立系统的仿真状态方程；在Matlab环境下搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。
选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象，借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据；利用单片机编写模糊PID算法控制程序，实现对圆点博士四旋翼飞行器实物的姿态控制。
本设计同时进行了Matlab仿真和实物控制设计，利用模糊PID算法，稳定有效的对四旋翼飞行器的姿态进行了控制。
关键词：四旋翼飞行器；模糊PID；姿态控制ⅠAbstractQuadrotor UA V is a four propeller driven, vertical take-off and landing aircraft, this structure is widely used in micro mini unmanned aerial vehicle design and can be applied to multiple areas of aerial, archaeology, border patrol, anti-terrorism investigation, has important military and civil value.Quadrotor UA V is a complicated characteristic of the complicated characteristics such as the less drive, the multi variable, the strong coupling, the nonlinear and the uncertainty, and the difficulty and the hot topic in the control field.Research status of the design of small quadrotor UA V were detailed and extensive research, summarized the main classification, research areas, key technology and application prospect of and according to Dr. dot quadrotor actual object, the modeling method and control scheme were preliminary study.First, for the dynamic characteristics of quadrotor UA V, dynamic model of quadrotor UA V is established according to the theorem of Euler and Newton's laws, and consider the air resistance and rotation torque for the effects of blade, the establishment of the physical model of the quadrotor UA V; root according to experimental data and repeated calculation, the establishment of system simulation equation of state; under the MATLAB environment built the nonlinear model of the quadrotor UA V Select the attitude of the quadrotor angle as the control object, with the help of matlab fuzzy toolbox to design the fuzzy PID controller and according to experience of experts to edit the corresponding fuzzy rules; through the simulation and real-time control verify the effectiveness of the control scheme, and this control scheme under the collection to the data input and output; written by SCM fuzzy PID control algorithm, dots, Quad rotor UA V real attitude control. The design of the Matlab simulation and the physical control design, the use of fuzzy PID algorithm, the stability of the four rotor aircraft attitude control.Keywords:Quadrotor UA V;F uzzy PID;Attitude controlⅡ目录摘要（中文） (Ⅰ)摘要（英文） (Ⅱ)第一章概述 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.3 四旋翼飞行器的关键技术 (5)1.3.1 数学模型 (6)1.3.2 控制算法 (6)1.3.3 电子技术 (6)1.3.4 动力与能源问题 (6)1.4 本文主要内容 (6)1.5本章小结 (7)第二章四旋翼飞行器的运动原理及数学模型 (7)2.1四旋翼飞行器简介 (7)2.2 四旋翼飞行器的运动原理 (8)2.2.1 四旋翼飞行器高度控制 (8)2.2.2 四旋翼飞行器俯仰角控制 (9)2.2.3 四旋翼飞行器横滚角控制 (9)2.2.4 四旋翼飞行器偏航角控制 (10)2.3四旋翼飞行器的数学模型 (11)2.3.1坐标系建立 (11)2.3.2基于牛顿-欧拉公式的四旋翼飞行器动力学模型 (12)2.4 本章小结 (15)第三章四旋翼飞行器姿态控制算法研究 (15)3.1模糊PID控制原理 (15)3.2 姿态稳定回路的模糊PID控制器设计 (16)3.2.1 构建模糊PID控制器步骤 (17)3.2.2 基于Matlab的姿态角控制算法的仿真 (22)3.3 本章小结 (25)第四章四旋翼飞行器飞行控制系统软件设计 (25)4.1 模糊PID控制算法流程图 (25)4.2 系统实验及结果分析 (26)4.3 本章小结 (27)第五章总结与展望 (28)5.1 总结 (28)5.2 展望 (28)参考文献 (28)第一章概述有史以来，人类一直有一个梦想，那就是可以像蓝天上自由翱翔的鸟儿一样。
基于改进模糊PID的农用四旋翼飞行器姿态角控制
第43卷湖北师范大学学报(自然科学版)Vol.43第1期Journal of Hubei Normal University(Natural Science)No.1,2023基于改进模糊PID的农用四旋翼飞行器姿态角控制叶海平(漳州职业技术学院机械工程学院,福建漳州 363000)摘要:在农业植保的喷洒农药作业过程中,四旋翼飞行器的飞行姿态角不稳定,工作效率不高。
为更好地解决四旋翼飞行器的姿态控制问题,运用遗传算法对模糊控制器中的比例量化因子和隶属度函数进行优化,将改进模糊控制应用到农用四旋翼飞行器的姿态控制,提高姿态控制能力。
MATLAB软件的Simulink 进行模型创建与虚拟仿真,然后对四旋翼飞行器进行测试。
仿真实验结果表明,与模糊PID控制器相比,改进模糊PID控制器上升时间缩短了0.3s,超调量减小了4%,调整时间缩短了约2.5s.改进后四旋翼飞行器的响应速度快,控制效果好,鲁棒性较强,姿态控制性能提升,有效地提高工作效率。
关键词:四旋翼飞行器;PID控制;改进模糊控制;姿态角中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:2096-3149(2023)01-0026-07doi:10.3969/j.issn.2096-3149.2023.01.0040 引言农业植保种植之处,地形复杂,条件恶劣,面对病虫害的侵袭,使用人工喷洒农药难度系数太大,工作效率低下,迫切需要四旋翼飞行器代替人工,完成喷洒作业。
与其他四旋翼飞行器相比,用于喷洒农药的四旋翼飞行器具有一定的特殊性。
主要有以下几个方面:喷洒农药的四旋翼飞行器需要携带农药水箱,在喷洒过程中,飞行器的负载会逐渐减小,负载的波动会增加姿态角的控制难度;农业植保种植基地一般地势不平,喷洒农药四旋翼飞行器需要进行贴近地面飞行,与植保保持一定距离,才能有较好喷洒效果。
目前的喷洒农药四轴飞行器在工作过程中,存在飞行姿态角不稳定,喷洒工作效率不高的问题。