摘 要近十年来，无人机的发展十分迅猛，尤其是微型无人机在研究领域与工业生生产生活领域得到广泛运用。四旋翼飞行器是其中一种被我们熟知的微型无人机，它由四个旋翼的协同工作提供飞行控制动力。四旋翼飞行器的垂直起降和自由悬停结构使其具有较好的操控灵活性，在微型无人机中脱颖而出。它以其卓越的性能，低廉的价格在航拍、遥感测绘、防灾救灾、电力巡线、影视广告等工业及商业领域得到广泛运用。因此，很多国内外大学和科研机构对四旋翼飞行器展开了一系列研究，并取得了较多的成果，但是四旋翼无人机飞行控制在许多极端环境下仍然不能达到令人满意的控制效果。本论文主要对四旋翼飞行器的飞行姿态控制进行研究。首先介绍了了四旋翼飞行器的发展历史，国内外研究现状和已经取得的重大成果。然后通过对四旋翼飞行器的动力学分析，根据牛顿定律和欧拉方程，分别推导出四旋翼飞行器在机体坐标系下和惯性坐标系下动力学数学模型，及两者相互转化关系。基于该模型，在MATLAB/SIMULINK 仿真环境下搭建了较为完备四旋翼飞行器非线性仿真模型。同时为该模型设计了两种不同的优秀飞行控制策略，改进型比例积分微分(PID)控制算法和模糊比例积分微分(Fuzzy PID)控制算法。并将四旋翼飞行器动力学仿真模型与PID控制器和Fuzzy PID控制器分别串联，构成完整的控制系统。通过进行实验仿真测试，比对评价两种控制策略效果优劣。最后，仿真实验结果表明，PID控制算法和模糊PID控制算法对飞行器飞行姿态都能进行有效控制，均表现出响应速度快，超调量小等优秀性能。由于模糊PID控制结合了典型PID控制和模糊控制两者的优点，因此对于四旋翼飞行器这一类非线性、强耦合、欠驱动系统控制效果在响应速度与超调量方面均优于PID控制器。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 选题背景及研究意义 1
1.2 四旋翼飞行器的发展历史与现状 1
1.3 本文的研究内容 5
第2章 四旋翼飞行器的数学分析及控制方法 6
2.1 四旋翼飞行器的结构和飞行原理 6
2.1.1飞行器的系统组成 6
2.1.2 四旋翼飞行器飞行原理 6
2.
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2 四旋翼飞行器的数学模型 9
2.2.1 动力学模型的建立 9
2.2.2 四旋翼飞行器参数 13
2.3 四旋翼飞行器常用控制策略 14
第3章 四旋翼飞行器控制算法研究 15
3.1 PID控制原理及应用 15
3.1.1 PID控制理论历史与发展 15
3.1.3 PID控制器原理 15
3.1.4 PID控制器缺点 18
3.2 模糊理论简介 19
3.2.1 模糊理论基础 19
3.2.2 语言变量 20
3.2.3 量化因子和比例因子 21
3.2.4 隶属度函数 21
3.2.5 去模糊化常用方法 23
3.2.6 模糊控制规则 24
3.2.7 模糊控制的特点 24
3.3.1 模糊PID控制器简介 25
3.2.3 模糊PID控制器设计 25
第4章 四旋翼飞行器实验模拟与仿真 30
4.1 MATLAB/SIMULINK简介 30
4.1.1 MATLAB的特点及优势 30
4.1.2 SIMULINK工作环境介绍 31
4.2 PID控制器仿真 32
4.2.1 PID控制器仿真模型 32
4.2.2 PID控制器仿真实验结果 37
4.3 模糊PID控制器仿真实验结果 38
4.3.1 模糊PID控制器仿真模型 38
4.3.2 模糊PID控制器仿真 39
第5章 总结与展望 41
5.1 总结 41
5.2 未来研究工作展望 41
参考文献 43
致 谢 45
附 录 46
第1章 绪论
1.1 选题背景及研究意义
无人机（unmanned aerial vehicle）是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。近年来，无人机不再仅仅局限于军事领域，在民用与商用领域正以自己的方式改变世界，例如环境监测，救援救灾，航拍等等。
无人机按机翼类型分为两种：固定翼无人机与旋翼类无人机[1]。旋翼飞行器具有更好的操作灵活性，更加精准的姿态控制能力，在近地面环境和狭窄作业空间作业性能均优于固定机翼无人机。根据旋翼无人机的旋翼个数，又可细分为单旋翼无人飞行器，双旋翼无人飞行器，四旋翼无人飞行器，六旋翼无人飞行器。本文针对四旋翼无人机进行研究。四旋翼飞行器在空间上具有六个自由度，分别为在惯性系下的平动及在机体坐标系下的转动。由于四旋翼飞行器四个电机相互独立又互相协同的机械结构，因此可以较好的控制飞行器飞行姿态（高度，翻滚角度，偏航角度，俯仰角度）。
四旋翼飞行器是一个非线性、强耦合的欠驱动系统[2]。由于该类系统具有高度非线性、参数摄动、多目标控制要求及控制量受限等特性，为了获得飞行控制的稳定性和精确性，因此欠驱动控制算法设计好坏对飞行器控制性能优劣尤为重要。为了能够在较小范围内避障飞行并完成作业，飞行器控制系统必须要有较高的响应速度及稳定性。
1.2 四旋翼飞行器的发展历史与现状
近十几年来，众多科研机构与公司设计开发了数量众多的四旋翼飞行器。下面列举一些具有代表性与前沿性的飞行器机型及研究成果。
宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）对四旋翼飞行器的研究开始于2002年[3]。Altug等研究人员提出基于视觉反馈采集飞行器的姿态和位置信息，对四旋翼飞行器进行自主飞行的控制。经过多次试验控制效果不佳，之后，他们将折反射系统引入无人机，采用两个摄像头对飞行器数据采集，达到良好的控制效果。2012年，该大学GRASP实验室的Alex Kushleyer,Daniel Mellinger和Vijay Kumar通过设计了几十个四旋翼无人机[4]，通过编程让无人机群协同作业得以实
现。如图1.1。


图1.1 四旋翼无人机协同飞行阵列
瑞士洛桑联邦科技学院的研究人员Boudabdallah等从2004年开始对四旋翼飞行器控制算法进行了一系列研究。Boudabdallah首先设计了OS4四旋翼飞行器测试平台[5]，并在该平台上测试比较多种控制器，分别是PID控制器、LQ控制器、Backstepping控制器、基于李雅普诺夫原理的控制器以及滑膜变结构控制器[6]。
斯坦福大学（Stanford University）设计了一个基于多智能体控制的自主飞行器测试平台（STARMAC）[7]如图1.2。为了提高飞行器在室外环境飞行工作能力，研究人员在飞行控制算法中考虑空气动力学因素（总体推力、机翼挥舞运动和气流扰动），从而更加准确地在复杂气流环境中对飞行器的姿态进行控制[8]。


图1.2 多智能体控制的自主飞行器
不仅学术机构和科研人员对四旋翼飞行器进行了广泛的研究，许多公司也开发出了许多成熟的商业化四旋翼无人机。
德国 Microdrones 公司基于模块化的设计理念开发的最新的MD41000四旋
翼无人机系统相较于先前MD4200（如图1.3）有更大的任务载荷，更优秀的抗干扰性能，更长的续航作业时间，更精确的姿态控制能力[9]。机体和云台采用碳纤维材料制造，由德国著名无人机复合材料公司Schübeler制作供应，更加轻便，强度更高。单块电池续航能力达到45分钟，3kg载荷，最航程达50km，最大飞行高度达4000m。

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