畢業(yè)設(shè)計---微小型四旋翼無人機(jī)的位置控制

1、<p><b>　　畢業(yè)論文(設(shè)計)</b></p><p>　　題 目 微小型四旋翼無人機(jī)的位置控制</p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號 </p><p>　　院 系 信息與控制</p><p>　　專

2、 業(yè) 自動化</p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　二Ｏ一二 年 五 月 二十 日</p><p>　　目 錄</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1&l

3、t;/b></p><p>　　1.2 無人機(jī)的分類1</p><p>　　1.3 國內(nèi)外四旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3.1 國外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.4 無人機(jī)的主要控制方法5</p><p

4、>　　1.5 本文研究的主要內(nèi)容6</p><p>　　2 控制對象介紹7</p><p>　　2.1 設(shè)計目標(biāo)7</p><p>　　2.2控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計7</p><p>　　2.2.1硬件總體設(shè)計8</p><p>　　2.2.2軟件總體設(shè)計8</p><p>　　2.

5、3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計9</p><p>　　2.3.1 導(dǎo)航系統(tǒng)9</p><p>　　2.3.2 通信系統(tǒng)10</p><p>　　2.3.3 電源系統(tǒng)10</p><p>　　2.3.4 控制器選型10</p><p>　　2.4 四旋翼無人機(jī)的飛行原理11</p><p>&l

6、t;b>　　3 數(shù)學(xué)建模12</b></p><p>　　3.1 無人機(jī)高度的建模12</p><p>　　3.1.1 動力學(xué)建模12</p><p>　　3.1.2 純滯后環(huán)節(jié)的線性化13</p><p>　　3.2 無人機(jī)坐標(biāo)X的建模16</p><p>　　3.2.1 動力學(xué)建模16

7、</p><p>　　3.2.2 純滯后環(huán)節(jié)的線性化17</p><p><b>　　4 控制理論18</b></p><p>　　4.1 控制發(fā)展概況18</p><p>　　4.2 控制的應(yīng)用范圍和優(yōu)點(diǎn)19</p><p>　　4.3 控制的現(xiàn)實(shí)意義20</p><

8、;p>　　4.4 參數(shù)整定方法概述21</p><p>　　4.5 控制的基本原理22</p><p>　　5 四旋翼無人機(jī)的位置控制器設(shè)計23</p><p>　　5.1 無人機(jī)高度的控制器設(shè)計24</p><p>　　5.1.1 經(jīng)典控制算法24</p><p>　　5.1.2 控制器設(shè)計24&l

9、t;/p><p>　　5.1.3 控制結(jié)構(gòu)概要分析25</p><p>　　5.2 無人機(jī)坐標(biāo)的控制器設(shè)計26</p><p>　　5.2.1 控制結(jié)構(gòu)概要分析26</p><p>　　6 總結(jié)和展望28</p><p>　　6.1 總結(jié)與分析28</p><p>　　6.2 前景與展望

10、29</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p>　　Abstract32</p><p>　　微小型四旋翼無人機(jī)的位置控制</p><p>　　張星 20081336062</p>&l

11、t;p>　　南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院自動化系，南京 210044</p><p>　　摘要：本文采用了PID控制方法來實(shí)現(xiàn)微小型四旋翼無人機(jī)的位置控制。首先研究四旋翼無人機(jī)的飛行原理，通過對該飛行器的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)建模，推導(dǎo)得出各個坐標(biāo)方向上的傳遞函數(shù)。接著，考慮到所使用的傳感器在收集數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生延遲，通過對Pade一次延遲型逼近法研究，對該延遲環(huán)節(jié)進(jìn)行線性化，并通過Matlab仿真對其進(jìn)行優(yōu)化，得出

12、最終的傳遞函數(shù)。</p><p>　　然后，利用PID控制理論設(shè)計微小型四旋翼無人機(jī)的位置控制器，并利用Matlab工具下的Simulink分別搭建三個位置坐標(biāo)（x,y,z)的PID控制結(jié)構(gòu)圖，并對其進(jìn)行Simulink仿真，得出各位置坐標(biāo)的階躍響應(yīng)曲線，最后再對得到的仿真結(jié)果進(jìn)行性能評價。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 微小型四旋翼無人機(jī)；位置控制；Pade一次延遲法；PID控制；Sim

13、ulink仿真 </p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　早期的無人駕駛飛行器的研制和應(yīng)用主要用作靶機(jī)，應(yīng)用領(lǐng)域主要是軍事領(lǐng)域，之后才開始逐漸應(yīng)用于民用遙感、偵察和作戰(zhàn)飛行平臺。自從20世紀(jì)80年代以來，伴隨著通訊技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展及各種體積小、探

14、測精度高、數(shù)字化、重量輕的新型號傳感器的不斷出現(xiàn)，無人機(jī)的飛行性能逐漸提高，其應(yīng)用領(lǐng)域被迅速拓展[1]。全球范圍內(nèi)的所有用途和所有性能指標(biāo)的微小型無人機(jī)種類已達(dá)到上百種。它的續(xù)航時間從最初的一個小時延長到了現(xiàn)在的幾十個小時，而其負(fù)載重量從幾公斤至幾百公斤，這就為長時間、大范圍內(nèi)的遙感監(jiān)測提供了穩(wěn)定保障，同時也為搭載多種傳感器和執(zhí)行多種任務(wù)創(chuàng)造了有利條件[2]。</p><p>　　隨著無人機(jī)技術(shù)的日趨成熟、國內(nèi)自

15、然災(zāi)害的頻繁發(fā)生、航空攝影應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展、無人機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢的廣泛體現(xiàn)，我國無人機(jī)遙感應(yīng)用迅猛發(fā)展。應(yīng)用領(lǐng)域涉及到各行各業(yè)，包括：攝影測量、應(yīng)急救災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、公共安全、礦產(chǎn)資源勘探、海洋環(huán)境監(jiān)測、土地利用調(diào)查、水資源開發(fā)、農(nóng)業(yè)估產(chǎn)與作業(yè)、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、城市規(guī)劃與市政管理、林火病蟲害防護(hù)與監(jiān)測等。</p><p>　　總之，微小型四旋翼無人直升機(jī)飛行控制技術(shù)的研究，從理論和工程的角度都具有重要意義。微小型

16、四旋翼飛行器還是一項(xiàng)涉及多門交叉學(xué)科的高、精、尖技術(shù),對國防建設(shè)是迫切需要和值得發(fā)展的研究項(xiàng)目。</p><p>　　1.2 無人機(jī)的分類</p><p>　　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)發(fā)展成一種種類繁多，各具特色的飛行器。無人機(jī)主要可以分為固定翼無人機(jī)和旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)兩類。固定翼無人機(jī)如圖1-1，旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)如圖1-2。</p><p>　　圖1-1 固定翼無人機(jī)

17、 </p><p>　　圖1-2 旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)</p><p>　　固定翼無人機(jī)因自身安定性高，對自控技術(shù)要求簡單所以有耗能低，巡航時間長，飛行距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)；但是起飛與降落需要場地，無空中定點(diǎn)懸浮機(jī)能，飛行中需保持一定的飛行速度，不利于空中攝影。而旋轉(zhuǎn)翼無人機(jī)可垂直起落，對場地?zé)o要求；可空中懸浮，能拍攝高清晰相片美中不足的是其耗能高，飛行時間與距離短，且自身安定性低，難于實(shí)現(xiàn)自動控制[3

18、]。</p><p>　　1.3 國內(nèi)外四旋翼無人機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢</p><p>　　1.3.1 國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　東京電玩展2010展館,展示了可以使用手機(jī)控制的四旋翼航模。本身采用了無人駕駛直升機(jī)式的設(shè)計，擁有四個獨(dú)立驅(qū)動的螺旋槳, 在駕駛艙前部安裝有一個攝像頭，可以拍攝第一人稱視角的實(shí)時畫面并通過傳送給控制器。駕駛艙下部配備有攝像頭、重力

19、感應(yīng)裝置、3軸陀螺儀、微機(jī)電控制芯片等部件，利用智能飛行技術(shù)可以糾正風(fēng)力和其他環(huán)境誤差，平衡的飛行速度和角度。在室內(nèi)飛行時，還可以給加裝防護(hù)罩以防止撞壞螺旋槳[4]。</p><p>　　2010年，德國一個名為“”的研發(fā)團(tuán)隊(duì)近日打造出世界首架載人電動直升機(jī)——多旋翼飛行器。它是一架由16個螺旋槳所組成的四旋翼直升機(jī)。與傳統(tǒng)直升機(jī)相比，它更平衡、安靜、易于修理，也更安全，最多可以承受4個螺旋槳同時停擺。該飛行器的

20、重量僅為176磅（約80公斤），飛行員坐在駕駛座上通過一個手持的無線控制器便可控制飛行器的飛行，非常簡單。該飛行器上還有個內(nèi)置的微型電腦，飛行員可以運(yùn)行定制的軟件來控制槳葉的旋轉(zhuǎn)速度，飛行器的面板就會顯示飛行器的實(shí)時高度和飛行方向[5]。</p><p>　　圖1-3 英國微型無人機(jī)</p><p>　　2011年，英國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)配備了微型無人機(jī)。這是一種微型四旋翼無人機(jī)，長30厘米，高7

21、.5厘米，重230克，飛行速度5米/秒，飛行高度120米，任務(wù)半徑1.5公里，配備小型攝像機(jī)。每節(jié)鋰電池能支持15分鐘飛行或?？吭陔[蔽地點(diǎn)拍攝并傳遞2.5小時視頻信息。該無人機(jī)擁有和內(nèi)置穩(wěn)相儀，能在每小時風(fēng)力18節(jié)的情況下自動返回基地[6]。</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　我國的無人機(jī)研究起步雖然相對較晚，始于上世紀(jì)50年代后期，到60年代中后期才投入具

22、體研制。以西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)為代表的研發(fā)機(jī)構(gòu)所研制的無人機(jī)也僅是提供軍方應(yīng)用。此外，國內(nèi)無人機(jī)因起步較晚，民用領(lǐng)域只有屈指可數(shù)的幾家機(jī)構(gòu)從事研究。</p><p>　　但是發(fā)展迅速，在軍事和民用都已發(fā)揮出重要作用。國防科技大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開展了微小型四旋翼無人直升機(jī)的相關(guān)技術(shù)研究，自行設(shè)計、制作了一種四旋翼直升機(jī)。它總重約750克，總長約70厘米。目前已完成了控制系統(tǒng)硬件部分的開發(fā)和測試。</p

23、><p>　　2010年，哈爾濱工程大學(xué)在校生團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的“四旋翼無人飛行器”以其獨(dú)特的設(shè)計、優(yōu)越的性能，引起了業(yè)內(nèi)專家的關(guān)注。該作品在2010年舉辦的亞洲創(chuàng)新設(shè)計大賽中奪得了唯一的特等獎。該“微型四旋翼無人飛行器”，外觀新穎小巧，有四個旋翼。當(dāng)接到指令時，飛行器不會受到環(huán)境制約，而是如同直升機(jī)一樣垂直起飛并降落。由于無人飛行器的體積小，在執(zhí)行任務(wù)時隱蔽性強(qiáng)、對飛行環(huán)境要求不高，因此它不僅具有民用價值，還具有較好的

24、軍事應(yīng)用價值。例如它可以應(yīng)用于航拍、地形勘測、高壓線路檢測等民用領(lǐng)域，還可用于偵察等軍事領(lǐng)域[7]。</p><p>　　圖1-4 型四旋翼無人飛行器</p><p>　　在2011年首屆中國—東盟汽車、工程機(jī)械及零部件博覽會期間，型四旋翼無人飛行器在主會場上空進(jìn)行了飛行表演。型四旋翼無人飛行器比一個旅行箱稍大，它的正中間是一個載荷區(qū)，可裝配小型相機(jī)和 攝像機(jī)，中間向四個方向延伸

25、出四個機(jī)翼，翼端各配有一個螺旋槳。飛行器的主體部件均由全碳纖維材料制成，重量非常輕。它使用的是鋰電池，在工作的時候沒有噪聲。基于這些優(yōu)點(diǎn)，它可用于特警在執(zhí)行反劫持任務(wù)時的偵查之用，隱蔽飛到人不能到達(dá)的區(qū)域，在不引起犯罪分子警覺的情況下，將該區(qū)域的環(huán)境特點(diǎn)記錄下來。在消防領(lǐng)域使用，可以利用紅外偵查功能遠(yuǎn)距離查看大型火場中的被困人員，讓指揮人員作出決策。在地震救援工作中，它也能發(fā)揮重要作用[8]。</p><p>　

26、　圖1-5 南航“機(jī)器鳥”</p><p>　　2011年，南航研究出目前國內(nèi)最小的“機(jī)器鳥”四旋翼無人機(jī)。不同規(guī)格形狀性能的“機(jī)器鳥”基于不同技術(shù)特點(diǎn)，可以航程遠(yuǎn)、承載重量大，也可以手拋起飛、空中懸停、垂直起降落、開傘降落等。機(jī)器鳥的用途非常廣泛，除了軍事方面外，在民用方面更是具備了固定翼無人機(jī)所無法比擬的優(yōu)勢。專家甚至大膽設(shè)想，讓這種人造機(jī)器鳥出任火星科學(xué)探測器。在沒有氧氣的火星大氣里，人類目前飛行器的發(fā)動機(jī)

27、都不能長時間工作，而只要在有大氣的地方，揮動翅膀的人造機(jī)器鳥就可以大顯身手[9]。</p><p>　　1.4 無人機(jī)的主要控制方法</p><p>　　無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)研究領(lǐng)域最重要的課題之一。在無人機(jī)自主飛行過程中會受到各種干擾，例如傳感器的噪聲、大風(fēng)與混亂氣流、載重量變化及傾角過大而引起的模型變動等等。以上這些問題都會深深影響無人機(jī)的飛行品質(zhì)，因而無人機(jī)的飛行控制技術(shù)便顯

28、得更加重要。四旋翼無人機(jī)的研究中，科學(xué)家對各種控制方法都做了深入研究與探討。目前總結(jié)起來主要有這幾種: 魯棒控制、智能控制、反饋線性化、反步法控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制,具體介紹如下[10]:</p><p>　　反饋線性化：反饋線性化是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的，包含微分幾何法和動態(tài)逆方法兩個方法。微分幾何法在理論上較容易展開，但比較抽象，不容易在工程上推廣使用。而對于無人機(jī)飛行控制器，動態(tài)逆方法是研究最為廣泛的反

29、饋線性化法。這個方法是通過對非線性模塊進(jìn)行微分變換，使其變成帶線性傳遞函數(shù)關(guān)系的、已解耦的偽線性系統(tǒng)，并可以實(shí)現(xiàn)各通道之間的耦合。將反饋線性化與最優(yōu)控制、積分控制相結(jié)合設(shè)計出位置跟蹤控制器來應(yīng)用到無人機(jī)中。該控制器并不受風(fēng)的影響，還能有效維持多個無人機(jī)編隊(duì)與重新編隊(duì)。設(shè)計一個基于非線性動態(tài)逆方法的測量裝置來評估無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)參數(shù)。接著提出一種設(shè)計方法和結(jié)合反饋線性化的自適應(yīng)控制器,并把它與最優(yōu)控制器相比較。該自適應(yīng)控制器在不確定參數(shù)

30、的情況下，變量和跟蹤誤差指數(shù)仍然能收斂到零并能有效完成路徑跟蹤。</p><p>　　反步法控制：反步法控制是20世紀(jì)80年代末，南斯拉夫科學(xué)家設(shè)計的一種非線性控制方法。該方法針對級聯(lián)線性和非線性系統(tǒng)，通過一次次選取合適的控制函數(shù)，在逐步構(gòu)造輔助控制輸入的同時來補(bǔ)償不確定性的影響，最終得到一個穩(wěn)定的控制規(guī)律。20世紀(jì)90年代中后期科學(xué)家開始把應(yīng)用于飛控系統(tǒng)中，并做了一些基礎(chǔ)的研究工作，構(gòu)造出控制函數(shù)，研究出簡化無

31、人機(jī)模型的控制器設(shè)計，并結(jié)合動力學(xué)方程結(jié)合得出滾轉(zhuǎn)角，設(shè)計出路徑跟蹤控制器，再通過微小型無人機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。該無人機(jī)在人為最小干預(yù)下可以有效躲避障礙并且完成目標(biāo)跟蹤。</p><p>　　滑模變結(jié)構(gòu)控制：滑模變結(jié)構(gòu)控制是蘇聯(lián)學(xué)者在1964年提出來的無人機(jī)控制理論?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制的思想是：首先把從任一點(diǎn)出發(fā)的狀態(tài)軌線用控制作用拉伸到某一指定的直線，再沿著該直線滑動至原點(diǎn)。在無人機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計中，滑模變結(jié)構(gòu)控制有兩種應(yīng)

32、用方式：第一種是直接方式，即直接應(yīng)用非線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制，研究一種欠驅(qū)動系統(tǒng)的滑?？刂坪鸵环N自適應(yīng)滑?？刂破鳎鸦？刂茟?yīng)用到無人機(jī)的飛行控制中。第二種是間接方式，首先線性化無人機(jī)非線性模型，接著利用線性系統(tǒng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制來進(jìn)行控制系統(tǒng)綜合。斯坦福大學(xué)通過采用動態(tài)逆方法與滑?？刂葡嘟Y(jié)合的設(shè)計方法在無人機(jī)上得到驗(yàn)證，并且設(shè)計了基于線性化模型的無人機(jī)滑模變結(jié)構(gòu)控制器。</p><p>　　智能控制: 在經(jīng)典

33、無人機(jī)控制器設(shè)計中，控制器因其設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、容易整定、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于無人機(jī)控制器設(shè)計中。然而經(jīng)典控制只適用于單輸入單輸出線性系統(tǒng)，而在保證系統(tǒng)抗外部干擾能力、處理非線性多變量控制系統(tǒng)、尤其在系統(tǒng)參數(shù)攝動的魯棒性等方面都不能收到滿意的效果，這些都限制了無人機(jī)控制器的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。近期，智能控制無論是理論上還是應(yīng)用上都得到了長遠(yuǎn)發(fā)展，隨之出現(xiàn)了將智能控制和經(jīng)典控制結(jié)合在一起的新方法，從而形成了多種智能控制器。 </p

34、><p>　　魯棒控制:魯棒控制的優(yōu)點(diǎn)是可以解決各種干擾所引起的建模誤差，但它的計算量相當(dāng)龐大，且依賴于高性能的處理器。其中主要有卡內(nèi)基隆大學(xué)的便增益回路控制方法;瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的以及回路控制方案;西班牙塞爾維亞大學(xué)和日本千葉大學(xué)所采用的線性控制方法。</p><p>　　1.5 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題的主要內(nèi)容是四旋翼無人機(jī)位置控制系統(tǒng)的設(shè)計，

35、主要包括數(shù)學(xué)建模、控制器的設(shè)計、下的仿真。具體內(nèi)容如下:</p><p>　　第一章、緒論：介紹了無人機(jī)的發(fā)展歷程及本文研究課題的意義，并且對四旋翼無人機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀以及主要控制方法作了簡要介紹。</p><p>　　第二章、被控對象介紹：介紹了四旋翼無人機(jī)的整機(jī)構(gòu)成與硬件模塊，并對嵌入式控制系統(tǒng)下的各個子模塊做了詳細(xì)敘述，此外還著重闡述了其飛行原理。</p><p

36、>　　第三章、數(shù)學(xué)建模：對四旋翼無人機(jī)的飛行位置坐標(biāo)分別進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，建立是旋翼無人機(jī)位置坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，并對模型進(jìn)行線性化。</p><p>　　第四章、控制理論：本章詳盡地介紹了控制理論的發(fā)展歷程，應(yīng)用范圍，與其他控制方法比較的優(yōu)勢以及基本原理。</p><p>　　第五章、控制器設(shè)計：本章首先闡述了控制的設(shè)計思路，接著設(shè)計了位置的結(jié)構(gòu)原理圖，并利用工具下的搭建三個坐

37、標(biāo)的控制結(jié)構(gòu)圖并且對其進(jìn)行仿真，得出各位置坐標(biāo)的階躍響應(yīng)曲線，最后再對得到的仿真結(jié)果進(jìn)行性能評價。</p><p>　　最后對本此論文的研究成果進(jìn)行總結(jié)并對不足之處進(jìn)行了反思。</p><p><b>　　控制對象介紹</b></p><p><b>　　設(shè)計目標(biāo)</b></p><p>　　四旋翼

38、無人機(jī)的機(jī)體構(gòu)成為:產(chǎn)生上升力的四個旋翼、支撐旋翼的機(jī)身和飛行控制設(shè)備。必要時為保護(hù)無人機(jī)，以避免損壞旋翼，一般都需要裝設(shè)保護(hù)架。其中，四個旋翼都包括直流電機(jī)、飛翼和連接部件等部分。</p><p>　　圖2-1 四旋翼無人機(jī)整體模型</p><p>　　四旋翼無人機(jī)主要由一個十字交叉的支架以及每個旋翼上的電機(jī)及螺旋槳組成四旋翼無人機(jī)的螺旋槳分為兩組，每組兩個分別在同一支架的兩端?？刂破饕?/p>

39、及其他一些傳感器等安裝在機(jī)身的幾何中心，主要是由紅外距離傳感器模塊、控制系統(tǒng)核心模塊、慣性測量單元模塊 、電機(jī)控制部分（控制電機(jī)驅(qū)動模塊、測量電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速模塊）、無線部分（接收無線控制信號模塊、傳輸無線數(shù)據(jù)模塊、全球定位模塊、傳輸無線視頻模塊）、以及壓力傳感器模塊等組成?？刂葡到y(tǒng)的核心模塊主要是由高精密供電電源部分和微型控制器的最小系統(tǒng)組成[8]。微型控制器的最小系統(tǒng)由32位微控制器及其相關(guān)附屬電路組成，完成對各種傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理

40、運(yùn)算、高度控制和任務(wù)控制等功能，使機(jī)載控制系統(tǒng)根據(jù)控制算法處理結(jié)果輸出四路PWM信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)四旋翼旋轉(zhuǎn)速度來穩(wěn)定無人機(jī)的飛行高度；精密電源是數(shù)模轉(zhuǎn)換器、多種測傳感器等來提供高精度電源，它的目的是確保供電電壓穩(wěn)定、提高電路抗干擾能力以及減小電壓的不穩(wěn)造成測量誤差。它的系統(tǒng)無線部分是由低成本、低功耗的無線射頻模塊、6通道控制信號的接收模塊以及無線視頻的傳輸模塊構(gòu)成[11]。</p><p>　　2

41、.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　微小型四旋翼無人機(jī)的控制結(jié)構(gòu)分為硬件和軟件兩部分?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能為:信息的采集與檢測、數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)控制等。</p><p>　　2.2.1 硬件總體設(shè)計</p><p>　　如圖2.2所示，四旋翼無人機(jī)的硬件包含如下幾個模塊:機(jī)體平臺模塊、通訊模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊和控制器模塊。而各部分主要功

42、能如下[12]：</p><p>　　圖2-2 四旋翼無人機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　(1)機(jī)體平臺模塊是此外所有模塊的載體，包括電機(jī)、機(jī)架、螺旋槳和推進(jìn)組。</p><p>　　(2)控制器是無人機(jī)控制系統(tǒng)的核心器件，起到協(xié)調(diào)和控制其他各個模塊的作用。它不斷與數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行信息交換，來獲取控制系統(tǒng)所需的信息，從而發(fā)出控制指令。</p><

43、;p>　　(3)傳感器模塊提供了四旋翼無人機(jī)的所有姿態(tài)信息和運(yùn)動信息，它是導(dǎo)航系統(tǒng)的重要部分。</p><p>　　(4)通訊模塊是各個設(shè)備和控制器進(jìn)行通訊的過度。一般控制器可以通過這個模塊向機(jī)體發(fā)送各種狀態(tài)信息，接收導(dǎo)航信息以及控制指令。</p><p>　　(5)數(shù)據(jù)處理模塊是整個系統(tǒng)的中心，在控制器的干預(yù)下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，信息提取，解算參數(shù)等功能。</p><

44、p>　　(6)電源模塊為上述各個模塊提供能量，從而保證硬件平臺正常工作。</p><p>　　2.2.2 軟件總體設(shè)計</p><p>　　為減少軟件錯誤以及提高可靠性，可按照高內(nèi)聚、低耦合的原則將軟件系統(tǒng)劃分為如圖2.3所示的各個模塊[13]。</p><p>　　圖2-3 四旋翼無人機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　軟件系統(tǒng)各個模塊

45、的功能如下:</p><p>　　(1)系統(tǒng)初始化模塊:它包括軟，硬件系統(tǒng)初始化模塊。</p><p>　　(2)傳感器數(shù)據(jù)采集模塊:主要是為了獲取傳感器傳送的有效數(shù)據(jù)。正確設(shè)置有關(guān)外設(shè)，從而使系統(tǒng)傳感器能夠正常、持續(xù)的運(yùn)行。</p><p>　　(3)數(shù)據(jù)處理模塊:實(shí)現(xiàn)各模塊間的銜接，諸如字符串與整形數(shù)據(jù)和浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)之間的互換、數(shù)字羅盤的信息提取、A/D采樣的濾波

46、等功能。</p><p>　　(4)導(dǎo)航模塊:利用導(dǎo)航算法，將傳感器的輸出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并為控制器提供系統(tǒng)控制器所需的姿態(tài)信息。</p><p>　　(5)控制模塊:它是控制器的軟件核心，包括控制器的主要算法。</p><p>　　(6)無線通訊模塊:它負(fù)責(zé)控制器和上位機(jī)與其他設(shè)備的通信。</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)功能設(shè)計&

47、lt;/p><p>　　2.3.1 導(dǎo)航系統(tǒng)</p><p>　　姿態(tài)控制是四旋翼無人機(jī)的控制重點(diǎn)，同時也是開展一切研究工作的前提?？刂破饕軌颢@取足夠多的姿態(tài)信息，導(dǎo)航系統(tǒng)是為控制器提供有效姿態(tài)信息。常用導(dǎo)航是慣性導(dǎo)航，此算法所需的信息包含載體三個軸的加速度和角速度。因而，需要對應(yīng)的慣性檢測單元來檢測這些信息。因?yàn)檫@些是模擬器件，所以選擇慣性傳感器的指標(biāo)是精度和線性度。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于誤差積

48、累而隨著時間發(fā)散，因而需要更精準(zhǔn)的平臺來進(jìn)行校正，于是選擇數(shù)字羅盤定時校正慣導(dǎo)系統(tǒng)。高度控制雖然不是本文重點(diǎn)，但要想離地飛行，控制器必須包含高度信息。系統(tǒng)開發(fā)初期，離地高度不大，控制精度保持在厘米級就可滿足系統(tǒng)要求，于是可以使用超聲波傳感器測量直升機(jī)離地飛行高度。</p><p>　　2.3.2 通信系統(tǒng)</p><p>　　四旋翼無人機(jī)采用的有線數(shù)據(jù)通信并不能滿足需求，因而選用無線通信作

49、為系統(tǒng)通訊方式。而無線通信有兩個重要指標(biāo)，即傳輸距離和傳輸速度。初期的設(shè)計和測試都是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，因而傳輸距離并不遠(yuǎn)，幾百米之內(nèi)便可滿足系統(tǒng)要求。對于傳輸速率的選擇，由于目前的設(shè)計中傳輸內(nèi)容只是簡單的狀態(tài)信息和控制命令，并不包括視頻或者音頻的實(shí)時傳輸，因而并不需要很高的波特率就能實(shí)現(xiàn)。即選用格式的通信就可滿足要求。若系統(tǒng)需要更高的傳輸速率，就可以把無線局域網(wǎng)用作通信系統(tǒng)。為了方便擴(kuò)展，設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)該留有對應(yīng)的擴(kuò)展接口。</p&

50、gt;<p>　　2.3.3 電源系統(tǒng)</p><p>　　電池提供整個系統(tǒng)的能量，是整個系統(tǒng)的動力來源。因?yàn)殓H電池容量大、重量輕的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。為給系統(tǒng)供給足夠能量，于是選用鏗電池為整個系統(tǒng)供電。</p><p>　　實(shí)際系統(tǒng)中各部分對供電的要求并不一樣，因而設(shè)計對應(yīng)的電壓轉(zhuǎn)換電路，來滿足系統(tǒng)的各部分的不同供電需求。</p><p>　　2.3.

51、4 控制器選型</p><p>　　隨著芯片技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)的處理速度和能力正在逐步增強(qiáng)，其中德州儀器的正在廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。因?yàn)橄盗械姆浅＿m合于運(yùn)動控制，它包括有豐富外設(shè)、多種中斷響應(yīng)、多種通信接口、光電編碼接口、脈寬輸出等等。因而本文選擇作為核心控制器。此外含有幾百的片上，一般控制程序都可以寫進(jìn)而無需內(nèi)存擴(kuò)展。為簡化系統(tǒng)，還承擔(dān)數(shù)據(jù)處理模塊，而不需要單獨(dú)使用其他芯片實(shí)現(xiàn)[14]。</p>

52、<p>　　由以上內(nèi)容可以看出，四旋翼無人機(jī)控制系統(tǒng)的硬件部分包括以下部件:(1) 慣性測量單元 (2) 數(shù)字羅盤 (3) 最小系統(tǒng) (4) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) (5) 無線通訊模塊(6)電源模塊(7)超聲波傳感器。硬件系統(tǒng)各部分組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。</p><p>　　圖2-4 控制系統(tǒng)硬件組成</p><p>　　2.4 四旋翼無人機(jī)的飛行原理</p><p&g

53、t;　　首先，建立如圖2-5所示的空間慣性坐標(biāo)系。從圖2-1可以看到，四個旋翼安裝在四個正方形機(jī)體的頂點(diǎn)位置，它可以分成逆時針和順時針兩組，在同一對對角線上的兩個旋翼同組。因?yàn)樾斫枪潭?，一般只能利用四個旋翼的轉(zhuǎn)速控制來達(dá)到無人機(jī)的飛行控制。懸停時，四個旋翼的轉(zhuǎn)速一樣，從而抵消了反扭力矩；與此同時等量增大/減小四個旋翼的轉(zhuǎn)速，則會引起無人機(jī)的上升/下降運(yùn)動；而增大某一個旋翼的轉(zhuǎn)速時，等量減小同組的另一個旋翼的轉(zhuǎn)速，就可以實(shí)現(xiàn)俯仰/橫滾轉(zhuǎn)

54、動，如圖2-7所示；增大一組旋翼的轉(zhuǎn)速時，等量減小另一組旋翼轉(zhuǎn)速，將產(chǎn)生偏航運(yùn)動，如圖2-8所示[15]。</p><p>　　圖2-5 慣性坐標(biāo)系 圖2-6 無人機(jī)的上升，下降模型</p><p>　　圖2-7 無人機(jī)的翻滾模型 圖2-8 無人機(jī)的俯仰模型 </p><p><b&g

55、t;　　數(shù)學(xué)建模</b></p><p>　　本文主要研究的是微小型四旋翼無人機(jī)的位置控制，即實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的三個坐標(biāo)。本文在研究時，假設(shè)無人機(jī)的姿態(tài)角已經(jīng)可以穩(wěn)定的控制。在此基礎(chǔ)上，本章對無人機(jī)的各個坐標(biāo)方向上的運(yùn)動進(jìn)行了動力學(xué)分析，進(jìn)而推導(dǎo)出無人機(jī)各個方向上的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)樗男頍o人機(jī)是一個對稱的系統(tǒng)，它的坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型一樣，于是只需要研究坐標(biāo)方向上的運(yùn)動就可以了。</p><p&

56、gt;　　3.1 無人機(jī)高度的建模</p><p><b>　　動力學(xué)建模 </b></p><p>　　四旋翼無人機(jī)的高度z建模就是推導(dǎo)出輸入與輸出之間的傳遞函數(shù)。在研究高度控制模型之前，我們首先有如下假設(shè)：</p><p>　　無人機(jī)是絕對的剛體，不考慮其結(jié)構(gòu)和彈性形變，而且機(jī)體的重心位置不變，其質(zhì)量為常數(shù);</p><

57、p>　　地面為慣性參考系，即地面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系。</p><p>　　接著為實(shí)現(xiàn)到的關(guān)系式，考慮旋翼轉(zhuǎn)速,一般情況下轉(zhuǎn)速與輸出成正比例關(guān)系。但考慮到微型無人機(jī)在實(shí)際飛行中會受到空氣阻力的影響，所以不能簡單地看作是比例關(guān)系。由于空氣阻力f的影響，一般把與的確定為慣性環(huán)節(jié)：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>

58、　　當(dāng)無人機(jī)在低空飛行時，由旋翼旋轉(zhuǎn)引起的浮力F與轉(zhuǎn)速近似成正比：</p><p>　?。?-2） </p><p>　　設(shè)無人機(jī)的質(zhì)量為，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹閷o人機(jī)進(jìn)行受力分析，可以得到</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b><

59、/p><p><b>　　（3-5）</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　考慮到四旋翼無人機(jī)飛行速度不大，而且處于低空飛行，可假設(shè)空氣阻力與飛行速度成正比：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p&g

60、t;　　由式3-3和3-4,3-5,3-7可以得到</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　可以解出：</b></p><p><b>　　（3-9）</b></p><p>　　再綜合式3-6,3-9式，對其進(jìn)行拉普拉斯變換可以總結(jié)出在理想

61、情況下,高度方向從輸入到輸出之間的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　其中，,</b></p><p><b>　　純滯后環(huán)節(jié)的線性化</b></p><p>　　由于考慮到本次研究使用的傳感器具有應(yīng)答慢，一般存在1秒左右的

62、延遲的特點(diǎn)，還要在以上得到的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上再添加一個非線性延遲項(xiàng)。</p><p>　　利用一次延遲型逼近法，將線性化得到[16]：</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　利用進(jìn)行仿真可得圖3-1和圖3-2。</p><p>　　圖3-1 純滯后環(huán)節(jié)仿真圖</p><

63、p>　　圖3-2 一次延遲線性化仿真圖</p><p>　　在3s時發(fā)送了一個3m的信號。通過圖3-1和3-2可以看出純滯后環(huán)節(jié)經(jīng)過1s延遲就跟蹤上，而一次延遲卻經(jīng)過3s才跟蹤上。可見，一次延遲并不十分準(zhǔn)確。由此，我們猜想可以將一次延遲改進(jìn)為式3-12。</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　因而搭建如圖3

64、-3的仿真圖。經(jīng)過多次對比，發(fā)現(xiàn)時式（3-12）比較準(zhǔn)確。仿真結(jié)果圖如圖3-4和圖3-5。</p><p>　　圖 3-3 下的控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-4 純滯后環(huán)節(jié)仿真圖 </p><p>　　圖3-5 純滯后環(huán)節(jié)改進(jìn)線性化后仿真圖</p><p>　　由圖3-5可以看出改進(jìn)后經(jīng)過1.5s左右就能跟蹤上輸入信號?？梢姡瑫r的式3

65、-12比式3-11準(zhǔn)確。所以最終的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　結(jié)合實(shí)際的四旋翼無人機(jī)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測定以及參考文獻(xiàn)[17]，給出一些重要的物理參數(shù)，如表3-1所示。</p><p>　　表3-1 四旋翼無人機(jī)的參數(shù)</p><p>　　代入具體數(shù)據(jù)得到傳遞函數(shù)為：<

66、;/p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　　通過軟件得到傳遞函數(shù)的Bode圖的仿真圖如下圖3-6：</p><p>　　圖3-6 線性化下傳遞函數(shù)的伯德圖</p><p>　　3.2 無人機(jī)坐標(biāo)X的建模</p><p>　　3.2.1 動力學(xué)建模</p><

67、;p>　　四旋翼無人機(jī)的坐標(biāo)x建模就是推導(dǎo)出輸入與輸出之間的傳遞函數(shù)。在研究坐標(biāo)模型之前，我們首先有如下假設(shè)：</p><p>　　無人機(jī)是絕對的剛體，不考慮其結(jié)構(gòu)和彈性形變，而且機(jī)體的重心位置不變，其質(zhì)量為常數(shù);</p><p>　　地面為慣性參考系，即地面坐標(biāo)系為慣性坐標(biāo)系。</p><p>　　四旋翼無人機(jī)的姿態(tài)角已經(jīng)可以穩(wěn)定控制。</p>

68、<p>　　浮力F在坐標(biāo)方向上的分力為。因?yàn)樗男頍o人機(jī)的姿態(tài)角已經(jīng)穩(wěn)定控制，設(shè)無人機(jī)的質(zhì)量為，當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹閷o人機(jī)進(jìn)行受力分析，于是可以得到：</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　微型無人機(jī)在實(shí)際飛行中會受到空氣阻力的影響，阻力可以簡單地看作是與速率比例關(guān)系。 </p><p><b&

69、gt;　?。?-16） </b></p><p><b>　　（3-17）</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p><b>　?。?-19）</b></p><p>　　由式3-17和3-16,3-18,3-19可以得到</p

70、><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　可以解出：</b></p><p><b>　　（3-21）</b></p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　再綜合式3-20式，對其

71、進(jìn)行拉普拉斯變換可以總結(jié)出在理想情況下,高度方向從輸入到輸出之間的傳遞函數(shù)。</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p><b>　　其中，。</b></p><p>　　3.2.2 純滯后環(huán)節(jié)的線性化</p><p>　　由3.1.2章可以知道本次研究使用的傳感器具有應(yīng)答慢，

72、一般存在1秒左右的延遲的特點(diǎn)，還要在以上得到的傳遞函數(shù)的基礎(chǔ)上再添加一個非線性延遲項(xiàng)。</p><p>　　而且由上述理論可知，時的線性化比較。所以最準(zhǔn)確，所以最終的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　?。?-23）</b></p><p>　　結(jié)合實(shí)際的四旋翼無人機(jī)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測定以及參考文獻(xiàn)[18]，給出一些重要的物理參數(shù)，如表3-2所示

73、。</p><p>　　表3-2 四旋翼無人機(jī)的參數(shù)</p><p>　　代入具體數(shù)據(jù)得到傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　通過軟件得到傳遞函數(shù)的Bode圖的仿真圖如下圖3-7：</p><p>　　圖3-7 線性化下傳遞函數(shù)的圖</p>

74、;<p><b>　　4 控制理論</b></p><p>　　4.1 控制發(fā)展概況</p><p>　　控制是發(fā)展歷史最早的一種控制策略，而且還是迄今為止最為常用的控制方法，大部分反饋回路都使用該方法或它的衍生方法來控制。調(diào)解器和它的衍生在工業(yè)過程控制中是最為常見的一種控制器，迄今在全世界的過程控制中80%以上仍用的是純調(diào)解器，如果它的衍生包括在內(nèi)就會

75、超過90%。我們熟悉的控制器在1915-1940年期間就產(chǎn)生并發(fā)展起了。雖然自1940年以來，很多先進(jìn)的控制方法層出不窮，但控制器仍以其結(jié)構(gòu)簡單，易于操作及具有很好魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛的應(yīng)用于冶金業(yè)、化工業(yè)、電力業(yè)和機(jī)械業(yè)等工業(yè)的過程控制中。但是和其它控制方法一樣，最近幾十年來，控制方法和技術(shù)正處在不斷發(fā)展中，其中出現(xiàn)過以下的幾種控制思想[19]:</p><p>　　(1) 自適應(yīng)控制思想以及常規(guī)控制器相互結(jié)

76、合產(chǎn)生的自適應(yīng)控制和自校正控制。它既可以自動整定控制器參數(shù)、還可以適應(yīng)被控對象的參數(shù)變化，同時還也具有常規(guī)控制器的結(jié)構(gòu)簡單、高魯棒性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　(2) 智能控制以及常規(guī)控制器相互結(jié)合產(chǎn)成的智能控制。它有著不依賴于系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，對系統(tǒng)的參數(shù)變化具有較好的魯棒性。</p><p>　　(3) 模糊控制以及控制器兩者相互結(jié)合具有模型控制靈活而且適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)

77、，又具有控制的精度高的特點(diǎn)。一般適用在工業(yè)控制過程中的大滯后、非線性、時變復(fù)雜系統(tǒng)，它可不要求掌握被控對象的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型，而通過人工控制規(guī)則組織的控制決策表，然后再由該表計算控制量的大小。</p><p>　　(4) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有很強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力以及大規(guī)模的并行處理能力等特點(diǎn)，在處理認(rèn)知上比較優(yōu)秀。</p><p>　　(5) 預(yù)測控制。預(yù)測控制算法一般采用非參數(shù)模型，而且不

78、通過復(fù)雜系統(tǒng)辨識就可以建立控制過程的數(shù)學(xué)模型，并且可以通過檢測得到的過程響應(yīng)再根據(jù)某種優(yōu)化性能指標(biāo)來進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過計算某一個確定的控制量時間序列，可以使未來的一段時間內(nèi)被控量和經(jīng)過柔化后的預(yù)期軌跡之間的誤差最小。</p><p>　　而在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中，就往往會有非線性、不確定性的問題，使得難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，使用普通的控制器一般難以達(dá)到預(yù)期的控制效果;而在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，因?yàn)槭艿絽?shù)整定方法

79、煩雜的困擾，常規(guī)控制器參數(shù)經(jīng)常會出現(xiàn)整定不良、性能欠佳的問題，并且它對運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性較差。針對上述問題，一直以來，人們長久尋求控制器參數(shù)的一種自整定技術(shù)，來適應(yīng)復(fù)雜的高指標(biāo)工況控制要求。隨之微機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)字智能控制器的實(shí)際應(yīng)用，伴隨著近年來多種先進(jìn)算法的不斷出現(xiàn)，控制復(fù)雜系統(tǒng)的研究出現(xiàn)了新途徑[20]。</p><p>　　4.2 控制的應(yīng)用范圍和優(yōu)點(diǎn)</p><p>　　控制

80、由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個參數(shù)（， 和）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。</p><p>　　首先，控制的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣。雖然有許多工業(yè)系統(tǒng)都是非線性的，但對其簡化后就可以變?yōu)闀r不變系統(tǒng)，這樣就可以用控制了。</p><p>　　其次，控參數(shù)容易整定，即參數(shù)，和可以通過過程動態(tài)特性來及時整定

81、。若過程動態(tài)特性發(fā)生變化，諸如由負(fù)載的改變所引起的系統(tǒng)的動態(tài)特性發(fā)生變化，就可以再次整定參數(shù)。</p><p>　　第三，在實(shí)踐中控制器也可以得到不斷改進(jìn)[21]。</p><p>　　在工業(yè)生產(chǎn)中，一般許多回路都是在手動狀態(tài)，其原因就是很難使過程在“自動”得模式下進(jìn)行平穩(wěn)工作。因?yàn)檫@些不足，采用的工控系統(tǒng)總受到產(chǎn)品質(zhì)量、能源浪費(fèi)、安全和產(chǎn)量等各種問題困擾。參數(shù)的自整定功能就是為處理參數(shù)的

82、整定問題而出現(xiàn)的。目前，自整定的控制器已經(jīng)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要工具。</p><p>　　雖然在某些情況中針對特定系統(tǒng)而設(shè)計的控制器的控制性能很好，但是它們?nèi)耘f存在著一些需要解決的問題：</p><p>　　若自整定是要以模型作為基礎(chǔ)的，則為參數(shù)的整定而在線尋找以及保持良好的過程模型都是較困難的。當(dāng)閉環(huán)工作，一般要求過程里插入測試信號。該方法一般會引起干擾，因而基于該模型參數(shù)的自整定不能適用

83、于工業(yè)應(yīng)用中。</p><p>　　如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負(fù)載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調(diào)，產(chǎn)生一個不必要的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換。另外，由于基于控制律的系統(tǒng)沒有成熟的穩(wěn)定性分析方法，參數(shù)整定可靠與否存在很多問題。</p><p>　　因此，許多自身整定參數(shù)的控制器經(jīng)常工作在自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。自動整定通常是指

84、根據(jù)開環(huán)狀態(tài)確定的簡單過程模型自動計算參數(shù)。</p><p>　　在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結(jié)構(gòu)不確定的復(fù)雜過程時，工作地不是太好。最重要的是，如果控制器不能控制復(fù)雜過程，無論怎么調(diào)參數(shù)都沒用。</p><p>　　雖然有這些缺點(diǎn)，控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器[22]。</p><p>　　4.3 控制的現(xiàn)實(shí)意義</p><p>

85、;　　目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制理論三個階段。智能控制的典型實(shí)例是模糊全自動洗衣機(jī)等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口?？刂破鞯妮敵鼋?jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控對象上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送

86、器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。目前，控制及其控制器或智能控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器 ，其中控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)控制功能的可編程控制器，還有可實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)等等?？删幊炭刂破?是

87、利用其閉環(huán)控制模塊來實(shí)現(xiàn)控制，而可編程控制器可以直接與相連，如的等。還有可以實(shí)現(xiàn) 控制功能的控制器，如的產(chǎn)品系列，它可以直接與</p><p>　　4.4 參數(shù)整定方法概述</p><p>　　自從有了控制，回路整定一直就是人們研究的問題之一，許多整定方法及公式己經(jīng)開發(fā)出來。最早提出參數(shù)工程整定方法是在1942年，由和提出，簡稱為經(jīng)驗(yàn)公式，即根據(jù)帶有時滯環(huán)節(jié)的一階近似模型的階躍響應(yīng)或頻率響

88、應(yīng)數(shù)據(jù)來換算成相應(yīng)參數(shù)。盡管時間已經(jīng)過去半個世紀(jì)了，但至今還在工業(yè)控制中普遍應(yīng)用。1953年，和繼承和發(fā)展了Z-N公式，同時也提出了一種考慮被控過程時滯大小的整定公式。常規(guī)控制器的傳統(tǒng)整定方法往往是技巧多于科學(xué)，制定參數(shù)的選擇取決于多種因素，如被控過程的動態(tài)性能、控制目標(biāo)以及操作人員對過程的理解等等?；芈分贫ㄈ匀槐容^費(fèi)時費(fèi)力，過程特性及操作條件的頻繁變化，操作人員對回路整定方法不熟悉都可造成整定失誤。在這種背景下,自整定控制器產(chǎn)生了。&

89、lt;/p><p>　　控制器參數(shù)整定是指在控制器形式己經(jīng)確定的情況下，針對一定的控制對象調(diào)整控制器參數(shù)，以達(dá)到控制要求為目的。同其它控制方法一樣，幾十年來，控制的參數(shù)整定方法和技術(shù)也處于不斷發(fā)展中。綜觀各種參數(shù)整定方法，可以有如下分類:根據(jù)研究方法的劃分，可分為基于頻域的參數(shù)整定方法和基于時域的參數(shù)整定方法;根據(jù)發(fā)展階段的劃分，可分為常規(guī)參數(shù)整定方法和智能參數(shù)整定方法;按照被控對象個數(shù)來劃分，可分為單變量參數(shù)整定方

90、法和多變量參數(shù)整定方法，前者包括現(xiàn)有大多數(shù)整定方法，后者是最近研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn);按控制量的組合形式來劃分，可分為線性參數(shù)整定方法和非線性參數(shù)整定方法，前者適用于經(jīng)典調(diào)節(jié)器，后者適用于由非線性跟蹤微分器和非線性組合方式生成的非線性控制器。</p><p>　　目前，在眾多的整定方法中，主要有兩種方法在實(shí)際工業(yè)過程中應(yīng)用較好。一種是基于模式識別的參數(shù)整定方法(基于規(guī)則)，另一種是基于繼電器反饋的參數(shù)整定方法(基于模型

91、)。這些技術(shù)極大地簡化了控制器的使用，顯著改進(jìn)了它的性能，它們被統(tǒng)稱為自適應(yīng)智能控制技術(shù)。常規(guī)參數(shù)整定方法隨著控制理論的發(fā)展而不斷發(fā)展，其各種整定方法很多，并在實(shí)際中得到很好的應(yīng)用?？刂破鲄?shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行

92、，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用[24]?！　?lt;/p><p>　　控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。兩種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善?，F(xiàn)在一般采用的是臨界比例法?！　?lt;/p><p>　　利用該方法進(jìn)行 控制器參數(shù)的整

93、定步驟如下：　　</p><p>　　首先預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；　　</p><p>　　僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；　　</p><p>　　在一定的控制度下通過公式計算得到控制器的參數(shù)。 </p><p>　　4.5 控制的基本原理</p>

94、<p>　　控制器實(shí)際上就是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”以及“未來”進(jìn)行信息估計的簡單控制算法[25]。</p><p>　　圖4-1 控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　這個系統(tǒng)主要是由控制器以及被控對象組成的。作為線性控制器，它通過設(shè)定值和實(shí)際輸出值來構(gòu)成偏差，再把偏差進(jìn)行比例、積分和微分的線性組合來構(gòu)成控制量，形成對被控對象的控制。控制器的表達(dá)式為:</p>

95、<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中:, 是比例系數(shù),是積分時間常數(shù)、是微分時間常數(shù)。這些都是我們在多種文獻(xiàn)中可以常?？吹降男问?各種控制的作用實(shí)現(xiàn)方式已經(jīng)在上述函數(shù)表達(dá)式中十分清楚的表達(dá)出來了。而這三個參數(shù)的取值優(yōu)劣會直接影響到控制器控制效果的好壞，下面就介紹三個參數(shù)對控制器性能的影響。</p><p><b>　

96、　(1) 比例作用</b></p><p>　　比例作用的引入一般是為了能夠及時的成比例反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號。一旦產(chǎn)生系統(tǒng)偏差，調(diào)節(jié)器就立即產(chǎn)生與它成比例的控制作用，來減小偏差。比例控制的反映快，但是對于某些系統(tǒng)而言，可能存在著穩(wěn)態(tài)誤差，增大比例系數(shù)，穩(wěn)態(tài)誤差會減小，但穩(wěn)定性會可能變差。</p><p><b>　　(2) 積分作用</b></p&

97、gt;<p>　　引入積分作用是為了消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，以提高系統(tǒng)的無差度，進(jìn)一步保證可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤的設(shè)定值。假使該系統(tǒng)己經(jīng)是閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，則此時的系統(tǒng)輸出和誤差量都保持為常值。通過式(4-1)可知，只有當(dāng)而且僅當(dāng)動態(tài)誤差時，才會使控制器的輸出為常數(shù)。因而從原理上看，只要控制系統(tǒng)存在著動態(tài)誤差，積分調(diào)節(jié)就可以產(chǎn)生作用，直到消除誤差，積分作用才會停止。此時的積分調(diào)節(jié)輸出是一個常值。積分作用的強(qiáng)弱一般取決于積分時間常數(shù)的大

98、小，越小，積分作用就越強(qiáng)，反之積分作用弱。引入積分作用會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，而且動態(tài)響應(yīng)變慢。實(shí)際應(yīng)用中，積分作用常常和另外兩種調(diào)節(jié)作用結(jié)合，組成控制器或者控制器。</p><p><b>　　(3) 微分作用</b></p><p>　　引入微分作用，主要是為了來提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及穩(wěn)定性。微分作用可以反映出系統(tǒng)偏差的變化規(guī)律。通過預(yù)見偏差的變化趨勢，于是就能產(chǎn)生

99、超前控制作用。具體而言，微分作用可以在偏差還沒有成形之前，就消除偏差。因而，微分作用一般可以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。而微分作用的強(qiáng)弱將取決于微分時間的大小，越大，微分作用就越強(qiáng)，反之就越弱。在微分作用合理的情況下，系統(tǒng)超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時間就可以有效的減小。然而對于濾波器，微分作用實(shí)際上相當(dāng)于高通濾波器，因而它會放大噪聲干擾，而這些就是我們設(shè)計控制系統(tǒng)時不希望看到的。于是，我們不可以一味地加大微分調(diào)節(jié)作用，否則會對控制系統(tǒng)的抗干擾產(chǎn)生不利影響。

100、除此之外，微分作用反映了變化率，當(dāng)偏差未變化時，微分作用的輸出就為零。</p><p>　　事實(shí)表明，就控制器而言，可以適用在如此廣泛的工業(yè)和民用對象，并仍然憑借相當(dāng)高的性能以及價格比在市免上占據(jù)著相當(dāng)重要的地位，這充分反映了控制器的優(yōu)良品質(zhì)。概括地講，控制器的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下兩個方面[26]:</p><p>　　(1) 原理簡單實(shí)現(xiàn)方便，是一種能夠滿足大多數(shù)實(shí)際需要的基本控制器。&l

101、t;/p><p>　　(2) 控制器適用于多種截然不同的對象，算法在結(jié)構(gòu)上具有較強(qiáng)的魯棒性。確切的說,在很多情況下對被控對象的機(jī)構(gòu)或參數(shù)攝動不敏感。</p><p>　　但從另一方面來講，控制算法的普遍適應(yīng)性也反映了PID控制器在控制</p><p>　　品質(zhì)上的局限性。具體分析，其局限性主要來自以下幾個方面:</p><p>　　(1) 算法結(jié)

102、構(gòu)的簡單性決定了控制比較適用于5150最小相位系統(tǒng)，在處理大時滯、開環(huán)不穩(wěn)定過程等難控對象時，需要通過多個控制器或與其他控制器的組合，勻能得到較好的控制效果。</p><p>　　(2) 結(jié)構(gòu)的簡單性同時決定了控制只能確定閉環(huán)系統(tǒng)的少數(shù)主要零極點(diǎn)，閉環(huán)節(jié)特性從根本上是纂于動態(tài)特性的低階近似假定的。</p><p>　　(3) 出于同樣原因，決定了常規(guī)控制器無法同時滿足跟蹤設(shè)定值和抑制擾動的

103、不同性能要求。在當(dāng)今所使用的工業(yè)控制器中，多數(shù)控制或改變了形式的控制策略己經(jīng)通過使用微處理器而轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的形式[27]。</p><p>　　四旋翼無人機(jī)的位置控制器設(shè)計</p><p>　　前面通過對四旋翼無人機(jī)的方向上的力學(xué)分析得到了系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)模型。在對模型整理簡化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用控制方法設(shè)計四旋翼無人機(jī)的飛行控制律。并對所設(shè)計的控制律進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和分析。同時，設(shè)計了控制器，并

104、進(jìn)行仿真驗(yàn)證。</p><p>　　5.1 無人機(jī)高度的控制器設(shè)計</p><p><b>　　經(jīng)典控制算法</b></p><p>　　對于由位移，速度和加速度表征的物體動力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)用控制算法進(jìn)行控制的關(guān)鍵，在于建立加速度與位移誤差量和速度誤差量之間的線性關(guān)系[28]:</p><p><b>　　（5-1）

105、</b></p><p>　　接著說明如何運(yùn)用式（5-1）對四旋翼飛行器系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)典控制。為此，我們將本節(jié)分為控制結(jié)構(gòu)概要分析、控制算法的運(yùn)用和仿真結(jié)果與分析三部分進(jìn)行闡述。</p><p>　　5.1.2 控制器設(shè)計</p><p>　　常規(guī)的控制由比例單元、積分單元和微分單元三部分組成。</p><p>　　圖5-1 控制系統(tǒng)

106、結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中，比例項(xiàng)可以使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，速度加快，但是比例作用過大會破壞閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)性能變壞，太小則響應(yīng)速度太慢;積分項(xiàng)可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，積分作用過大會造成系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，存在著超調(diào)現(xiàn)象，積分作用過小則會使過渡過程緩慢;微分項(xiàng)用來增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，但抗干擾能力降低。在控制中，由于自身結(jié)構(gòu)的限制，常常需要在動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能中做出取舍。&

107、lt;/p><p>　　5.1.3 控制結(jié)構(gòu)概要分析</p><p>　　我們設(shè)計的采用經(jīng)典算法的飛行器控制結(jié)構(gòu)如圖5-3所示[29],[30]。</p><p>　　圖5-3 下控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　取可得仿真圖像如圖5-4。</p><p>　　圖5-4 輸入信號和輸出信號仿真圖</p><

108、;p>　　圖5-5 控制量的仿真圖</p><p>　　如圖5-4所示，紅色虛線是目標(biāo)信號輸入曲線，藍(lán)色實(shí)線是仿真輸出信號曲線。開始無人機(jī)在空中0米處于懸停模式，在0秒時給無人機(jī)發(fā)送輸入信號1米，無人機(jī)在控制下開始調(diào)整高度，經(jīng)過9秒左右穩(wěn)定在目標(biāo)高度。由此可以看出，以上所設(shè)計的控制器具有較為良好的穩(wěn)定性。</p><p>　　無人機(jī)坐標(biāo)的控制器設(shè)計</p><p&

109、gt;　　5.2.1 控制結(jié)構(gòu)概要分析</p><p>　　通過5.1.1和5.1.2的研究討論，可以直接在下的中搭建基于經(jīng)典算法的坐標(biāo)控制器結(jié)構(gòu)圖如圖5-6所示：</p><p>　　圖5-6 下控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　取可得仿真圖像如圖5-7。</p><p>　　圖5-7 輸出信號仿真圖</p><p>

110、　　圖5-8 控制量的仿真</p><p>　　如圖5-7所示，藍(lán)色實(shí)線是仿真輸出信號的曲線。而且由圖5-7可知，無人機(jī)在控制器的作用下開始調(diào)整坐標(biāo)，經(jīng)過6秒左右穩(wěn)定在目標(biāo)坐標(biāo)，可見其響應(yīng)較快，而且沒有超調(diào)量。由此可以看出，以上所設(shè)計控制器具有較為良好的性能。由于四旋翼無人機(jī)是一個對稱的目標(biāo)對象，所以控制四旋翼無人機(jī)的坐標(biāo)和坐標(biāo)的模型是一樣的，所以其相應(yīng)的控制器也是一樣的。因此，本次研究基本上達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。&l

111、t;/p><p><b>　　總結(jié)和展望</b></p><p><b>　　6.1 總結(jié)與分析</b></p><p>　　此次論文主要研究了以下幾個方面的工作:</p><p>　?。?）數(shù)學(xué)建模 對四旋翼無人機(jī)進(jìn)行了動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析推導(dǎo)出坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，對因傳感器產(chǎn)生的應(yīng)答延遲進(jìn)行線

112、性化，推導(dǎo)出簡化后的四旋翼無人機(jī)的非線性模型，并搭建非線性仿真框圖驗(yàn)證該非線性模型的正確性。</p><p>　　（2）控制器設(shè)計 詳細(xì)闡述了控制理論的發(fā)展歷程，應(yīng)用范圍，參數(shù)整定法以及其設(shè)計的基本原理，接著利用控制理論設(shè)計四旋翼無人機(jī)的位置控制器。</p><p>　?。?）仿真 設(shè)計了位置的結(jié)構(gòu)原理圖，并利用工具下的搭建三個坐標(biāo)的控制結(jié)構(gòu)圖并且對其進(jìn)行仿真，得出各位置坐標(biāo)的階躍響應(yīng)曲線

113、，最后再對得到的仿真結(jié)果進(jìn)行性能評價。</p><p>　　綜上所述，此次研究大體完成了四旋翼無人機(jī)的位置控制器設(shè)計，通過仿真的仿真結(jié)果也能夠滿足要求。但是可以看到利用本文的設(shè)計方法是建立在姿態(tài)角控制穩(wěn)定的基礎(chǔ)上的，一般情況下，四旋翼無人機(jī)位置控制的研究分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)的結(jié)合控制，而外環(huán)控制則涉及到多個控制量的耦合，這就使得控制很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的四旋翼無人機(jī)的位置控制。因此，進(jìn)一步的研究還需要利用法，回路成形法等方法進(jìn)