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一种改进型非线性PID的四旋翼 飞行器控制方法

阅读：663发布：2020-05-08

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。

权利要求

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。

说明书全文

一种改进型非线性PID的四旋翼飞行器控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种四旋翼飞行器的改进型非线性PID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。

背景技术

[0002] 四旋翼无人飞行器结构简单，能够垂直起降、并且操纵方便，目前在电力巡检、安防、视频拍摄、侦查、遥感遥测等方面都得到了大面积应用。由于结构上改进空间有限，近年来针对四旋翼飞行器研究主要集中在控制算法上，以提升操控性能，提升飞行稳定度。

[0003] 针对四旋翼的特点，目前发展出了滑模，神经网络，自适应以及多种算法融合的控制算法。滑模控制的难点在于滑模面的设计复杂度较高。在传统PID控制的基础上，利用神经网络的非线性映射能力和优化算法可提高传统 PID的控制效果，但是该方法训练时间较长，且训练的数据只能用于被训练对象。

[0004] 非线性PID控制算法最早由韩京清提出，旨在使用非线性方法构建PID的参数，进一步提升PID的跟踪性能。目前非线性PID控制算法在很多场合也已经得到了应用，在动态性能和控制精度方面体现了良好的性能。通过分析非线性PID对四旋翼飞行器的轨迹跟踪性能，并将其与滑模控制、传统PID方法进行比较，发现非线性PID具有更好的轨迹跟踪能力。将非线性PID用于四旋翼飞行器的定高控制，结果表明其高度跟踪速度较快，但是该算法只跟踪了高度，不够完善。因此在传统非线性PID原理的基础上，本发明提供一种改进型非线性PID的控制方法，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。

发明内容

[0005] 为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，本发明提供一种基于改进型非线性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PID控制系数非线性化，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跟踪控制。

[0006] 为解决上述技术问题的技术方案如下：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。

[0007] 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。

[0008] 对Z轴控制使用前馈补偿的控制方法，前馈补偿部分为。

[0009] 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。

[0010] 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）。

[0011] 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。

[0012] 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。

[0013] 根据控制系统的目标为z稳定到，稳定到，由此在z和的闭环控制回路上，将比例系数和微分系数也进行非线性化，以进一步提高控制系统的跟踪性能。附图说明

[0014] 图1为本发明的控制流程示意图；图2为本发明的控制算法与传统非线性控制算法对x轴控制的效果；
图3为本发明的控制算法与传统非线性控制算法对y轴控制的效果；
图4为本发明的控制算法与传统非线性控制算法对z轴跟踪的效果；
图5为本发明的控制算法与传统非线性控制算法对角度控制的效果；
图6为本发明的控制算法与传统非线性控制算法对角度控制的效果；
图7为本发明的控制算法与传统非线性控制算法对角度跟踪的效果。

具体实施方式

[0015] 以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

[0016] 参照图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。飞行器的参数设计为m=2; l=0.2; g=9.8; K1=0.01; K2=0.01; K3=0.01; K4=0.012; K5=0.012; K6=
0.012; I1=1.25; I2=1.25; I3=2.5。

[0017] 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。

[0018] 对Z轴控制使用前馈补偿的控制方法，前馈补偿部分为。

[0019] 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。

[0020] 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）。参数选择为。

[0021] 2.4根据控制系统的目标为z稳定到，稳定到，由此在z和的闭环控制回路上，将比例系数和微分系数也进行非线性化，以进一步提高控制系统的跟踪性能。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，参数值为
，。sech为
MATLAB环境下的双曲正割函数，exp为MATLAB环境下的指数函数。

[0022] 步骤3，确定四旋翼飞行器的参数，选择参数的值为，完成控制器的设计。

[0023] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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