飞行器自主控制技术研究答辩稿

PID算法仿真结果
• 角度阶跃响应曲线仿真图
• 位移阶跃响应曲线仿真图
积分分离PID算法
• 1）当被控量与设定值偏差较大时，取消积分作 用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调 量增大；当被控量接近给定值时，引入积分控制 ，以便消除静差，提高控制精度 • 2）当四旋翼无人飞行器偏航角度有较大偏差时 采用PD控制，使得飞行器快速到达给定值位置 ，当在给定值范围内时，采用PID控制可以有效 的消除四旋翼无人飞行器的偏航角度静差，实现 四旋翼无人飞行器的稳定飞行
论文框架
• • • • • 第一章 绪论 第二章 四旋翼飞行器硬件结构 第三章 四旋翼飞行器动力学模型 第四章 四旋翼飞行器控制算法研究 第五章 总结
动力学建模
• 研究四旋翼无人飞行器，首先要建立系统的动力学模型 。介绍四旋翼无人飞行器建模的基本方法，选取影响飞 行器运动的关键受力和力矩，根据物理定律建立飞行器 的动力学方程模型。 • 控制器的分析与设计需要将实际系统抽象成数学模型， 先在理论上针对模型研究与设计。用一组能够尽可能简 单、全面的表达、体现实际系统各项性能、参数、特点 Hale Waihona Puke Baidu数学表达式来表达实际系统，建立模型。
PI算法仿真结果
不加控制器时系统脉冲响应
加控制器时系统脉冲响应
PID算法
• 1）比例调节作用，对四旋翼无人飞行器进行飞行观测，比照惯性 坐标系，当出现角度偏差时，比例调节立即产生作用，将角度向着 零点运动，实现四旋翼无人飞行器的稳定飞行，比例系数大，可以 加快调节，减少误差，但是过大的比例，使四旋翼无人飞行器稳定 性下降 • 2）积分调节作用，是使四旋翼无人飞行器消除稳态误差，提高无 差度。即使有一个小的角度变化，通过长时间的积分作用都能够显 现出来，对四旋翼无人飞行器的姿态变化产生影响，积分时间常数 T，T越小，积分作用就越强。反之T大，则积分作用弱，积分调节 动态响应变慢，但实现无差姿态调节是必须的。 • 3）微分调节作用，反映四旋翼无人飞行器偏航角度偏差信号的变 化率，具有预见角度变化趋势，实现姿态的超前控制，在偏航角度 偏差还没有形成之前，实现对偏差的消除。因此，改善四旋翼无人 飞行器的动态性能。
完成工作
• 研究分析了四旋翼无人飞行器的产生和发展过程，国内外 研究现状以及其主要的特点，对相关关键技术进行阐述和 分析，指明了研究过程具有重要意义 • 分析了四旋翼飞行器的结构形式以及垂直运动、俯仰运动 等状态的工作原理 • 研究了四旋翼飞行器的飞行原理和实体模型基础上，做出 基于MATLAB/SIMULINK的仿真模型 • 通过Matlab中的Simulink模块，分别对PI控制算法、PID控 制算法和积分分离PID控制算法进行了仿真
四旋翼飞行器特点
• 四旋翼飞行器与普通旋翼飞行器相比，具有以下特点： 1）体积小，适合在多种地形使用，起飞、发射简单。并且 拥有较小重、有良好的隐蔽性能 2）低空飞行，机动性强，可进行360度定点转弯，能够执行 特种任务，飞行高度从几米到几百米，飞行速度从每秒几米 到几十米，能够适应复杂环境，能够对狭小地区探测，并提 供实时精确信息 3）机械组成简单，便于维护、拆卸，而且费用低
积分分离PID算法仿真
• 积分分离 PID位移阶跃响应曲线仿真图
总结
• 通过对 PID 飞行控制算法进行 Matlab 仿真可 知，四旋翼无人飞行器在 PI、PID、积分分离 PID 控制算法下是可控的，通过仿真观察能够 基本达到稳定飞行的目的。 • 四旋翼无人飞行器能够自主的稳定飞行，在实 际检测系统中还是容易受到干扰，所以还是需 要必要的控制。再验证了控制算法的有效性。
• 1）比例调节作用，对四旋翼无人飞行器进行飞行观测 ，四旋翼无人飞行器能够抵抗外界的干扰力矩的作用， 只要手快速的尝试改变四旋翼无人飞行器的角度状态， 四旋翼无人飞行器就会产生一个抵抗力矩。
• 2）积分调节作用，对陀螺仪角速度的积分得到实际四 旋翼无人飞行器旋转的角度，如果四旋翼无人飞行器有 一个倾斜角度，那么四轴就会自己进行调整，直到四轴 的倾角为零，它所产生的抵抗力是与角度成正比的
算法设计
• 对四旋翼飞行器做控制仿真，可以验证飞 行器的模型的正确性和测试控制算法的可 靠性。飞行器的控制仿真采用 MATLAB/SIMULINK作为仿真工具。
• 控制算法： PI 、PID 、积分分离 PID
算法流程
积分分离 PID 控制 算法的程序流程图
采用偏航角度和位置作为输入 数据
PI算法
敬请各位老师批评指正！
飞行器自主控制技术研究
作 者： 导 师： 明德学院 自动化系 2014年6月
报告提纲
1.选题背景 2.完成工作 3.研究内容 4.论文框架 5.动力学建模 6.算法设计与仿真 7.总结
选题背景
• 随着自动控制技术和智能决策技术的不断发展，无人机凭 借其低成本，零伤亡，可重复使用和高机动等优点，成为 了当代战争的重要作战工具之一，有着不可替代的作用 • 旋翼式飞行器作为一种无人机，其起飞和降落所需空间较 少，在障碍物密集环境下的操控性较高，以及飞行器姿态 保持能力较强的优点，在民用和军事领域都有广泛的应用 前景 • 近年来对四旋翼飞行器的研究成果较多，融合了自动控制、 传感以及计算机科学等诸多技术，成为了未来无人机的主 要发展趋势，并成为目前重点的研究对象
研究内容
• 对四旋翼无人飞行器进行力学分析，并对四旋翼的建模和控 制方法做了研究。在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模 型，并对飞行器进行力学分析 • 选取四旋翼无人飞行器在运动过程中的受力分析，完成对其 动力学模型的建立，并针对现有四旋翼无人飞行器结构，建 立机体坐标系，为四旋翼无人飞行器的飞行控制器的设计提 供了可靠的控制模型 • 研究基于PID控制理论的四旋翼飞行器的姿态控制算法，利用 建立的四旋翼飞行器的动力学模型，仿真验证算法的有效性