四旋翼无人机高精度飞行控制算法研究及实现

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1、工学硕士学位论文四旋翼无人机高精度飞行控制算法研究及实现姚博文哈尔滨理工大学2018年3月国内图书分类号：TP273工学硕士学位论文四旋翼无人机高精度飞行控制算法研究及实现硕士研究生：姚博文导师：王建民副教授申请学位级别：工学硕士学科、专业：电子科学与技术所在单位：理学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TP273DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringResearchandImplementationofHighPrecisionFlightContro

2、lAlgorithmforQuadrotorUAVCandidate：YaoBowenSupervisor：A.P.WangJianminAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ElectronicScienceandTechnologyDateofOralExamination：March,2018University：HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《四旋翼无人机

3、高精度飞行控制算法研究及实现》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：姚博文日期：2018年3月30日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《四旋翼无人机高精度飞行控制算法研究及实现》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完

4、全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用授权书。不保密。(请在以上相应方框内打√)作者签名：姚博文日期：2018年3月30日导师签名：王建民日期：2018年3月30日四旋翼无人机高精度飞行控制算法研究及实现摘要飞行控制技术作为四旋翼无人机领域的关键技术，一直以来都是国内外专家学者的研究热点。控制精度始终是影响无人机技术发展与进步的重要因素，同时它

5、也决定了四旋翼无人机一切飞行任务的完成质量，但由于四旋翼系统本身对实时性与功耗有着较高要求，一些先进、高精度控制算法由于计算量大、耗时长等原因而无法较好的在无人机平台上实现。因此，对高精度可实现的四旋翼无人机控制算法的研究有着重要意义。本文从控制方法研究角度出发，以实际应用为目的，围绕四旋翼无人机的高精度控制问题展开研究。首先，在深入研究四旋翼无人机飞行控制原理与运动学关系的基础上，建立了动力学模型；之后，通过对传统PID控制算法在四旋翼无人机应用中的研究与分析，得出传统的PID控制算法虽然拥有适应性强、结构简单、易于实现等优点，但其在参数整定、动态

6、性能、非线性应用等问题中存在着较大缺陷。针对以上不足，同时考虑到四旋翼系统抗干扰能力差、非线性、时变等特性，本文对模糊逻辑控制展开深入研究，并发现模糊控制器具有计算量小、控制响应时间短、鲁棒性强、容错率高、设计简单等特点，尤其适合于非线性、时变、模型不完全系统应用。本文由此提出了参数模糊串级PID（ParameterFuzzyCascadePID，PF-CPID）控制算法，以串级PID为基础控制方式，使用模糊逻辑推理对PID参数进行自适应化整定，从而在简化参数整定过程的同时，增强控制器在非线性应用中的适应性。通过对控制算法进行MATLAB模型仿真得出

7、，参数模糊串级PID控制算法拥有超调量小、调节时间短、响应速度快、长时稳定等优点，性能明显优于传统控制方法。为进一步验证参数模糊串级PID控制算法在实际应用中的性能水平，本文建立了四旋翼无人机飞行测试平台，并分别对无人机飞行控制系统的硬件运行环境和软件程序进行了设计与实现。通过观察参数模糊串级PID算法对四旋翼无人机的飞行控制效果与其姿态曲线变化情况，可以得出参数模糊串级PID控制算法在控制精度、动态性能以及稳定性等诸多方面都表现出了较好的控制效果，即满足了无人机控制的高精度要求，又有效的避免了因精度提高而导致的计算量与实时性问题。在控制精度上，参数

8、模糊串级PID算法与传统线性PIDI控制方法相比有较大提升，其最大精度提升比率可达28.12%。关键词四旋翼