基于模糊自整定PID的四旋翼飞行器姿态控制算法研究

摘要

随着社会的进步，人们对于飞行器的要求不断提高，传统的螺旋翼直升机飞行器已经越来越不能满足人们的要求。基于微控制器、传感器与电力驱动等关键领域技术的持续进步与革新，四旋翼飞行器已经逐渐取代了传统的螺旋翼直升机飞行器，成为了飞行器行业的研究热点。四旋翼飞行器机械原理简单，由四个螺旋翼和十字形状的机身组合而来，是一个强耦合、非线性、欠驱动的六自由度系统，它通过控制四个螺旋桨的速度，就能够流畅的实现多种飞行姿态，例如：悬停飞行，爬升飞行，下降飞行，俯仰飞行，滚动飞行，偏航飞行等。四旋翼飞行器与普通意义上的螺旋翼直升机飞行器相对比，拥有成本低、安全性高、功能丰富、结构简单等优点，已经被广泛应用于军事和民用领域。四旋翼飞行器的姿态控制是系统的核心，本文对其姿态控制算法进行了较为深入的分析与研究。
　　本文首先对飞行器的发展历史、研究现状和发展趋势等进行论述。接下来建立出地面基础坐标系与飞行器基础坐标系，对飞行器的各个飞行姿态的原理进行分析与阐述，并为其建立了动力学模型。然后研究了姿态角的解算与控制过程，在MATLAB环境下使用PID算法和模糊自整定PID算法进行仿真实验，结果显示后者的控制效果要优于前者。随后对飞行器的硬件系统与软件系统进行设计，搭建了实验平台。最后通过模拟飞行方式与遥控飞行方式对平台进行多种飞行姿态下的实验，证明了本文设计的姿态解算与姿态控制算法的有效性与正确性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2发展历程及发展趋势

1.3关键技术

1.4本文主要内容

1.5本文框架结构

1.6本章小结

第二章 四旋翼飞行器的结构、原理与动力学模型

2.1四旋翼飞行器的组成结构和飞行原理

2.2动力学模型

2.3本章小结

第三章 四旋翼飞行器的姿态控制算法研究

3.1四旋翼飞行器的姿态解算研究

3.2基于PID的姿态控制算法研究

3.3基于模糊自整定PID的姿态控制算法研究

3.4姿态控制过程的实现

3.5仿真与结果分析

3.6本章小结

第四章 四旋翼飞行器的硬件与软件系统的设计

4.1硬件系统设计

4.2软件系统设计

4.3本章小结

第五章 实验及结果分析

5.1飞行器平台搭建

5.2平台开发工具

5.3平台模拟飞行姿态实验

5.4平台遥控飞行姿态实验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢