【摘 要】
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四旋翼无人机是一个具有多变量、欠驱动、强耦合特点的非线性控制系统,在飞行中会受到多种环境因素的干扰,如强风、磁场干扰与障碍物等。在分析了四旋翼无人机的各种飞行模式后,基于传统PID控制、串级PD控制和模糊PID控制三种算法的原理分别建立各自的仿真模型,研究了在模糊PID控制作用下四旋翼快递无人机控制系统的稳定性与可行性。软件方面,基于已经建立好的非线性动力学模型,采用Simulink对传统PID控
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四旋翼无人机是一个具有多变量、欠驱动、强耦合特点的非线性控制系统,在飞行中会受到多种环境因素的干扰,如强风、磁场干扰与障碍物等。在分析了四旋翼无人机的各种飞行模式后,基于传统PID控制、串级PD控制和模糊PID控制三种算法的原理分别建立各自的仿真模型,研究了在模糊PID控制作用下四旋翼快递无人机控制系统的稳定性与可行性。软件方面,基于已经建立好的非线性动力学模型,采用Simulink对传统PID控制、串级PD控制与模糊PID控制三种控制算法建立仿真模型,对比这三种控制算法对无人机姿态控制的效果。仿真结果显示,模糊PID控制算法能使系统的超调量趋于0,调节时间仅为0.13s,验证了模糊PID控制算法相比于其他两种算法的优越性,确定了以模糊PID控制算法作为四旋翼无人机核心算法。同时,利用Qt平台和C++语言建立了四旋翼无人机软件监控平台,利用该软件平台对APM飞控板进行校准以及对无人机控制参数进行调试,在无人机飞行过程中对其飞行状态进行实时监控,以保证四旋翼无人机的飞行安全。硬件方面,选择以APM飞控板作为控制核心,利用MPU6000传感器采集四旋翼无人机角速度和加速度参数,MS5611气压传感器主要测量气压值,HMC5883三轴磁阻传感器主要用来测量四旋翼无人机周围的磁感应强度以及方向。结合P900数传模块、电调与电机、GPS模块、接收机以及遥控器等组成了通信、动力、导航以及飞行控制模块,这些模块共同构成了四旋翼无人机控制系统,通过这些硬件之间的相互配合来维持四旋翼无人机稳定飞行。最后测试了四旋翼快递无人机控制系统的硬件与软件效果。将模糊PID控制算法导入到APM飞控板中后,利用地面站软件设置四旋翼快递无人机航点,然后将航点数据保存到APM飞控板中,对组装好的四旋翼快递无人机进行试飞测试,即硬件模块的测试;同时利用地面软件监控平台对四旋翼快递无人机飞行状态进行监控,利用P900数传模块以及软件监控平台中的串口来收发数据,通过软件监控平台上显示的姿态角曲线可知,模糊PID控制可减小四旋翼快递无人机的姿态角波动误差,使其飞行状态保持稳定。结合GPS的导航功能以及航点连成的航线,在不用遥控器的情况下,利用软件监控平台远程控制无人机,四旋翼快递无人机能够沿着航线顺利地将快递包裹运送到实验地点处。
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