飛行器自主控制技術研究

飛行器自主控制技術研究,飛行器,自主,控制,技術研究 飛行器自主控制技術研究飛行器自主控制技術研究明德學院明德學院 自動化系自動化系20142014年年6 6月月作 者：張黎翔導 師：邢超報告提綱 1.選題背景2.完成工作3.研究內(nèi)容4.論文框架5.動力學建模6.算法設計與仿真7.總結選題背景隨著自動控制技術和智能決策技術的不斷發(fā)展，無人機憑借其低成本，零傷亡，可重復使用和高機動等優(yōu)點，成為了當代戰(zhàn)爭的重要作戰(zhàn)工具之一，有著不可替代的作用旋翼式飛行器作為一種無人機，其起飛和降落所需空間較少，在障礙物密集環(huán)境下的操控性較高，以及飛行器姿態(tài)保持能力較強的優(yōu)點，在民用和軍事領域都有廣泛的應用前景近年來對四旋翼飛行器的研究成果較多，融合了自動控制、傳感以及計算機科學等諸多技術，成為了未來無人機的主要發(fā)展趨勢，并成為目前重點的研究對象四旋翼飛行器特點四旋翼飛行器與普通旋翼飛行器相比，具有以下特點：1）體積小，適合在多種地形使用，起飛、發(fā)射簡單。并且擁有較小重、有良好的隱蔽性能2）低空飛行，機動性強，可進行360度定點轉彎，能夠執(zhí)行特種任務，飛行高度從幾米到幾百米，飛行速度從每秒幾米到幾十米，能夠適應復雜環(huán)境，能夠?qū)ΚM小地區(qū)探測，并提供實時精確信息3）機械組成簡單，便于維護、拆卸，而且費用低 完成工作完成工作研究分析了四旋翼無人飛行器的產(chǎn)生和發(fā)展過程，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及其主要的特點，對相關關鍵技術進行闡述和分析，指明了研究過程具有重要意義分析了四旋翼飛行器的結構形式以及垂直運動、俯仰運動等狀態(tài)的工作原理研究了四旋翼飛行器的飛行原理和實體模型基礎上，做出基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型通過Matlab中的Simulink模塊，分別對PI控制算法、PID控制算法和積分分離PID控制算法進行了仿真研究內(nèi)容研究內(nèi)容對四旋翼無人飛行器進行力學分析，并對四旋翼的建模和控制方法做了研究。在此基礎上建立四旋翼飛行器的動力學模型，并對飛行器進行力學分析選取四旋翼無人飛行器在運動過程中的受力分析，完成對其動力學模型的建立，并針對現(xiàn)有四旋翼無人飛行器結構，建立機體坐標系，為四旋翼無人飛行器的飛行控制器的設計提供了可靠的控制模型研究基于PID控制理論的四旋翼飛行器的姿態(tài)控制算法，利用建立的四旋翼飛行器的動力學模型，仿真驗證算法的有效性論文框架第一章 緒論第二章 四旋翼飛行器硬件結構第三章 四旋翼飛行器動力學模型第四章 四旋翼飛行器控制算法研究第五章 總結 動力學建模研究四旋翼無人飛行器，首先要建立系統(tǒng)的動力學模型。介紹四旋翼無人飛行器建模的基本方法，選取影響飛行器運動的關鍵受力和力矩，根據(jù)物理定律建立飛行器的動力學方程模型。控制器的分析與設計需要將實際系統(tǒng)抽象成數(shù)學模型，先在理論上針對模型研究與設計。用一組能夠盡可能簡單、全面的表達、體現(xiàn)實際系統(tǒng)各項性能、參數(shù)、特點的數(shù)學表達式來表達實際系統(tǒng)，建立模型。算法設計對四旋翼飛行器做控制仿真，可以驗證飛行器的模型的正確性和測試控制算法的可靠性。飛行器的控制仿真采用MATLAB/SIMULINK作為仿真工具。控制算法：PI、PID、積分分離 PID算法流程算法流程積分分離 PID 控制算法的程序流程圖采用偏航角度和位置作為輸入數(shù)據(jù) PI算法1）比例調(diào)節(jié)作用，對四旋翼無人飛行器進行飛行觀測，四旋翼無人飛行器能夠抵抗外界的干擾力矩的作用，只要手快速的嘗試改變四旋翼無人飛行器的角度狀態(tài)，四旋翼無人飛行器就會產(chǎn)生一個抵抗力矩。2）積分調(diào)節(jié)作用，對陀螺儀角速度的積分得到實際四旋翼無人飛行器旋轉的角度，如果四旋翼無人飛行器有一個傾斜角度，那么四軸就會自己進行調(diào)整，直到四軸的傾角為零，它所產(chǎn)生的抵抗力是與角度成正比的 PI算法仿真結果不加控制器時系統(tǒng)脈沖響應不加控制器時系統(tǒng)脈沖響應 加控制器時系統(tǒng)脈沖響應 PID算法1）比例調(diào)節(jié)作用，對四旋翼無人飛行器進行飛行觀測，比照慣性坐標系，當出現(xiàn)角度偏差時，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生作用，將角度向著零點運動，實現(xiàn)四旋翼無人飛行器的穩(wěn)定飛行，比例系數(shù)大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例，使四旋翼無人飛行器穩(wěn)定性下降2）積分調(diào)節(jié)作用，是使四旋翼無人飛行器消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。即使有一個小的角度變化，通過長時間的積分作用都能夠顯現(xiàn)出來，對四旋翼無人飛行器的姿態(tài)變化產(chǎn)生影響，積分時間常數(shù)T，T越小，積分作用就越強。反之T大，則積分作用弱，積分調(diào)節(jié)動態(tài)響應變慢，但實現(xiàn)無差姿態(tài)調(diào)節(jié)是必須的。3）微分調(diào)節(jié)作用，反映四旋翼無人飛行器偏航角度偏差信號的變化率，具有預見角度變化趨勢，實現(xiàn)姿態(tài)的超前控制，在偏航角度偏差還沒有形成之前，實現(xiàn)對偏差的消除。因此，改善四旋翼無人飛行器的動態(tài)性能。PID算法仿真結果角度階躍響應曲線仿真圖位移階躍響應曲線仿真圖 積分分離積分分離PIDPID算法算法1）當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大；當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度2）當四旋翼無人飛行器偏航角度有較大偏差時采用PD控制，使得飛行器快速到達給定值位置，當在給定值范圍內(nèi)時，采用PID控制可以有效的消除四旋翼無人飛行器的偏航角度靜差，實現(xiàn)四旋翼無人飛行器的穩(wěn)定飛行積分分離積分分離PIDPID算法仿真積分分離 PID位移階躍響應曲線仿真圖 總結通過對 PID 飛行控制算法進行 Matlab 仿真可知，四旋翼無人飛行器在 PI、PID、積分分離 PID 控制算法下是可控的，通過仿真觀察能夠基本達到穩(wěn)定飛行的目的。四旋翼無人飛行器能夠自主的穩(wěn)定飛行，在實際檢測系統(tǒng)中還是容易受到干擾，所以還是需要必要的控制。再驗證了控制算法的有效性。敬請各位老師批評指正！