基于PID的多旋翼无人机控制器设计

 2022-01-17 11:01

论文总字数:18366字

目 录

摘要 ..................................................1

Abstract ................................................2

1.绪论..................................................3

1.1 论文研究的背景以及意义 ...............................3

1.2 国内外无人机的发展及研究现状 ..........................4

1.3 论文主要的研究的内容及其章节安排........................6

2.无人机相关知识以及工作原理............................6

2.1 飞行器类型 ........................................6

2.2 多旋翼无人机的结构 ..................................7

2.3 四旋翼无人机的工作原理 ...............................8

3.四旋翼无人机的数学建模 ..............................10

4.PID控制模型系统的建立和仿真 .........................17

4.1 PID控制原理 ......................................17

4.2 控制系统模型的搭建和仿真.............................17

4.3 小结 ...........................................22

5.总结与展望...........................................23

5.1 无人机未来发展的展望................................23

5.2 自身总结 ........................................24

参考文献 ..............................................24

致谢 .................................................26

基于PID的多旋翼无人机控制器设计

李严家

,China

Abstract:This thesis, from the perspective of the control algorithm, the rotor unmanned aerial vehicle (uav) controller based on PID control effect, at the current mainstream of four rotor unmanned aerial vehicle (uav) on the market as an object for research. By set up a single stage of PID and cascade PID simulink model to compare two kinds of algorithm of the control effect of stability and rapidity, in addition, the paper will also be described in detail the basic structure of uav rotorcraft more and related principle and basis for relevant uav parameters for mathematical modeling of the four rotor unmanned aerial vehicle (uav), through the analysis of the final simulation results to verify the system is feasible and found the advantage of PID, which achieve the research objective of this paper.

Key words :Multi-rotor uav PID simulation

  1. 绪论

1.1论文研究的背景以及意义

随着全球科技水平的不断提高,人类对天空的不断探索,以及市场日益增长的需求,无人机的发展十分迅速,无人机已经由最初的固定翼小型机型逐渐朝着各个方向,各个用途,各个种类发展。如今多旋翼无人机是当下主要流行的机型,与之前的固定翼机型相比,现在的多旋翼不管是在结构,性能,价格还是操作上都有着无与伦比的优势,也正是由于价格便宜,质量可靠,操作方便简单,功能多样这些优点才使得多旋翼无人机发展的如此迅速。[1]除了像以前一样作为一般的航模玩具,现在的无人机不管是在军事还是民用都有所应用。目前在民用行业中中,我国大力开发研究新型的地图测绘无人机,地质勘测无人机,气象探测无人机,灾害监测无人机,农药喷洒无人机,农业植保无人机等不同领域的无人机,其中对于低空遥感测绘无人机,国家测绘局还将其列入十二五规划大力推广,对于农业植保无人机,许多高校研究也在不断开发,一旦无人机产品成熟,将大大增加国家的农业实力。此外一些科技巨头公司也将无人机应用在自己的产品中,比如亚马逊的无人机快递运输服务,美团的无人机外卖服务,这些都已经发展了一段时间。在军事方面,军用无人机作战种类繁多,功能多样,质量可靠,适应环境的能力强大,是进行信息战争和网络中心战争的重要武器,其在战场上的成功运用,让当今世界走进了以智能化远程攻击武器为主导的非接触战争的新时代,目前军用无人机在情报侦查,军事攻击,信息战争,防空预警,通信截取等方面有着重要地位,尤其是在军事攻击方面,攻击无人机可以随时携带作战武器,当发现目标人物或者设施可以直接发起实时攻击 ,这样可以大大节省人力和并且可以保护士兵。攻击无人机还可以通过提前计划部署,拦截空中的战术导弹,作为重要的防空措施,它行动迅速,智能控制,精度准确,可以自己锁定导弹完成拦截,大大增强了国家的防空能力。大型攻击无人机载重大, 飞行快速,续航能力强,可以携带大量重火力攻击地面作战部队和进行空战,是实现全球快速打击的关键武器。[2]可以说,当下无人机在各个领域大放异彩,尽管发展的时间不长,但是发展的速度很快。

无人机控制技术的难点主要体现在在机体结构,飞行器模型建立,传感器设计和控制算法,其中无人机的控制算法是无人机控制的一个最重要的方面。目前,在无人机控制中选用的常用的控制算法分别是反演控制算法,滑膜控制算法,以及最常用的PID控制算法。其中PID算法除了传统的PID算法之外,还有很多在这基础之上所做的改进算法,比如自适应PID,模糊PID,串级PID。[3]这些算法都各有各个优点和缺点,反演控制算法能够很好的实现姿态跟随但是悬停能力很差,传统PID算法能够很好的控制悬停姿态但是却很容易受到外界干扰,而滑模控制算法虽然能够一定程度上控制无人机姿态但是在飞行过程中却会让飞行器产生结构变化从而导致控制效果的不稳定。对于无人机控制技术的研究目前有了许多卓有成效的工作,Johnson等人提出了无人机的可靠自主控制技术,Cheng认为模型预测控制可以提高无人机自主水平,周瑞等人提出了无人战术飞机分层式智能控制结构,张新国等探讨了不确定环境下的自主飞行控制面临的问题[4],总的来说,目前无人机控制技术的研究还在发展中,国内的相关技术研究相对国外较晚,平台的自主能力不强,控制算法不够好。在这个背景之下,本论文探究PID控制的控制效果,希望对无人机控制有所帮助。

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