【摘 要】
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四旋翼无人飞行器因其优越性能而得以广泛应用于各个领域,其飞行控制系统是典型的欠驱动、静不稳定系统,具有高耦合性、非线性、时变等特性,是相对复杂的控制对象,控制系统设计较为困难。如何设计一种精确的飞行器位姿控制器成为一个亟需解决的难题。在了解了四旋翼飞行器控制系统组成的基础上,搭建出一个具有六自由度以及四个控制输入的欠驱动系统的动力学模型为基础来研究控制器的设计方法。PID控制是目前最基础最通用的控
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四旋翼无人飞行器因其优越性能而得以广泛应用于各个领域,其飞行控制系统是典型的欠驱动、静不稳定系统,具有高耦合性、非线性、时变等特性,是相对复杂的控制对象,控制系统设计较为困难。如何设计一种精确的飞行器位姿控制器成为一个亟需解决的难题。在了解了四旋翼飞行器控制系统组成的基础上,搭建出一个具有六自由度以及四个控制输入的欠驱动系统的动力学模型为基础来研究控制器的设计方法。PID控制是目前最基础最通用的控制方法,它的控制器结构简单、系统稳定性高,但传统的PID控制器参数的整定方法如试探法和Z-N法,难以使PID算法达到最佳的控制效果,而且在四旋翼动力学模型的固有参数发生变化时无法对PID参数进行实时调整,即基于PID的位姿控制系统在面对四旋翼动力学模型改变时,系统鲁棒性不能满足实际需求。本文采用萤火虫算法对PID的参数进行自整定,针对基本的萤火虫算法（FA）收敛速度慢、精度不高的问题,引入线性递减步长因子、惯性权重和调节因子,同时为消除萤火虫初始种群的随机分布对萤火虫算法性能的影响,在生成萤火虫的初始种群时采用了一种结合均匀化与随机化的方法策略,从而形成了改进的萤火虫控制算法（MFA）。并且在综合考虑几种主要的时域性能指标的基础上,提出了综合性能指标作为MFA的适应度函数。通过改变其中的权重系数,可有效地使MFA-PID控制器偏重于某个或某些指定的性能参数,即能整定出不同场合中所需要的具有针对性的四旋翼PID控制器。此外,PID控制器其中的积分项会累积偏差,导致执行器的积分饱和,降低了PID的控制效果,为解决这一问题,在基于MFA-PID的四旋翼控制系统中引入了抗积分饱和的PID算法。对所建立的模型进行仿真分析,所使用的仿真平台为MATLAB/Simulink。实验结果表明,MFA整定方法与传统的Z-N方法和FA相比,使四旋翼飞行器的控制响应性能上有了明显的改善:响应更快,超调量减少,达到稳定的时间更短;在遇到飞行器的模型参数发生变化时,MFA-PID算法恢复稳定的时间更短、更具有实时跟踪性。同时对比了四旋翼的MFA-PID整定与其他3种群智能整定方法,结果表明,MFA-PID整定的控制性能更优。图[48]表[6]参[98]
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