专利汇可以提供一种改进型非线性PID的四旋翼飞行器控制方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种非线性PID的四旋翼 飞行器 控制方法,以满足四旋翼飞行器对给定 姿态 和高度快速准确 跟踪 的性能要求,同时控制 算法 简单可靠并且计算量小。本发明提供的改进型非线性PID的控制方法,在传统非线性PID控制的 基础 上,进一步将姿态跟踪和 滚转 角 跟踪的控制系数非线性化,提高跟踪速度,最终使得系统在不需要精确的系统数学模型的情况下,可以实现四旋翼飞行器的姿态快速跟踪控制。,下面是一种改进型非线性PID的四旋翼飞行器控制方法专利的具体信息内容。
1.一种基于非线性PID的四旋翼飞行器控制方法,包括以下步骤:步骤1,建立四旋翼飞行器的动态系统,初始化系统参数、采样时间以及控制参数;四旋翼飞行器系统的动力学模型表达式形式为:
(1)
其中, 为飞行器在惯性坐标系中的位置坐标; 代表飞行器的欧拉角,分别为滚转角、俯仰角和偏航角;l为飞行器旋翼末端到飞行器质心的距离;m为飞行器的负载总重量; 为转动惯量; (i=1,2...6)为助力系数;u为假设的中间控制输入,其定义为
(2)
其中,b为升力系数,(i=1,2,3,4)为第i个旋翼的转速,d为反扭矩系数;
步骤2,确定控制系统采用的控制方式为双闭环的控制方法,外环为位置控制系统,内环为姿态控制系统;
由于系统为欠驱动控制系统,控制器不能够同时对6个自由度都进行跟踪控制,设定控制的目标为航迹和滚转角,同时稳定另外两个角度;
系统的控制目标为x趋于0,y趋于0,z趋于 ,趋于 ,即四旋翼飞行器为定高,定姿态飞行模式;
控制过程先确定位置控制PID参数,再确定姿态控制PID参数,过程如下:
2.1根据四旋翼的动力学模型,位置控制的输入为 ,定义
则根据PD控制的规则,设计的控制输入结构形式为
其中, , , ,为设定的目标高度;
对Z轴控制使用前馈补偿的控制方法,前馈补偿部分为 ;
2.2姿态控制为内环控制,采用前馈补偿的方法,设计得到的输入为
(5)
式中, , 为别为设定的俯仰角、偏航角和滚转角;
2.3计算非线性误差,根据非线性PID的结构设计方法,系统没有积分环节,只有比例和微分环节,控制输入设计为
其中, ,而fal函数为
即将 分别做为参数 带入函数 ,将
分别做为参数 带入函数 ,将计算得到的结果作为非
线性误差项代入式(4)和式(5);
2.4计算非线性系数,根据PD控制系统的需求,比例系数p可调节系统的响应速度,系数越大,控制作用越强,所以在初始时,误差较大,为保证跟踪的速度,系数p取值较大,随着误差的减小,P值逐渐减小;
微分环节有助于系统减小超调,克服振荡,加快系统的响应速度,减小调节时间,从而达到改善系统动态性能的目标,实际输出与控制目标之差为负值且其值越大,微分系数越大,随着差值的减小,微分系数渐渐稳定到一个固定值;
设计 参数为
其中, 均为正常数;
sech为MATLAB环境下的双曲正割函数,exp为MATLAB环境下的指数函数;
步骤3,确定四旋翼飞行器的参数,选择参数 的
值,完成控制器的设计。
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