[發明專利]一種基于改進模糊PID的無人機仿人控制方法

在審

• 申請號: 202110704677.3
• 申請日: 2021-06-24
• 公開（公告）號: CN113342023A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 顏成鋼;萬斌;王廷宇;孫垚棋;張繼勇;李宗鵬
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08;G05D1/10
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 朱月芬

本發明公開了一種基于改進模糊PID的無人機仿人控制方法首先確定無人機飛行數學模型；然后進行仿人智能控制器設計；最后采用模糊PID對控制參數進行調節。本發明將模糊PID與仿人智能控制進行結合，進一步優化了仿人智能控制中的比例微分控制，將此算法應用到四旋翼無人機控制中，在角度相應、穩定性控制、抗干擾等實驗中得到了不錯的控制效果。

技術領域

本發明屬于無人機飛行控制領域，尤其針對單架無人機的飛行控制，具體設計了一種無人機模糊仿人智能控制系統。

背景技術

現如今隨著飛行控制、微機電系統等多種技術的發展，四旋翼飛行器越來越多的應用到人們的日常生活中。傳統四旋翼飛行器是通過將輸入量與反饋量之間的誤差經過PID整定后來控制四旋翼飛行器的俯仰角(θ)、偏航角(ψ)、橫滾角(φ),從而完成機體在水平及垂直方向上的運動。但傳統的串級PID的調節過程過于繁瑣且沒有自我參數整定的適應能力，往往在四旋翼控制中會出現誤差較大等問題，因此本文設計了一種基于模糊控制算法與仿人智能控制相結合的新型四旋翼控制器—基于模糊控制算法的四旋翼仿人控制器。

仿人智能控制(Human-simulated Intelligent Control，HSIC)一種典型的智能控制方式，它是由周其鑒等人在20世紀80年代提出的，之后又得到進一步的發展。仿人智能控制的主要思想就是在對人的控制結構宏觀模擬的基礎上進一步研究人的控制行為并加以模擬，最大限度地識別和利用系統動態過程所提供的特征信息，能夠有效解決四旋翼飛行器PID控制參數自適應問題。但仿人智能控制中的比例、微分系數和衰減系數會影響最終的控制效果，因此采用了模糊控制算法對其進行參數優化。

在傳統控制領域，控制器的主要效果受控制器系統的精度影響。模糊控制理論(Fuzzy Logic Control)是一種基于模糊語言變量、模糊邏輯推理、模糊集理論三方面的非線性智能控制方法。針對復雜的控制系統通過一系列操作以及相關經驗編成相符合的模糊規則。模糊控制器作為模糊控制中的最重要組成部分，負責將定量與返回值之間的誤差信號E作為模糊控制的輸入信號并將其轉化為模糊量得到一個模糊語言子集e，最終子集e與模糊關系R通過模糊規則得到模糊控制量u。

發明內容

本發明的目的是針對單架無人機飛行控制問題，提供了一種基于改進模糊PID的無人機仿人控制方法。本發明方法將控制器分成三層結構：直接控制層、參數矯正層、任務適應層。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案具體包括如下步驟：

步驟1、確定無人機飛行數學模型；

無人機機體運動模型

四旋翼飛行器通過控制四個旋翼的轉速從而對俯仰角(θ)、偏航角(ψ)、橫滾角進行調節進而完成機體的前進后退、上升下降、左右飛行等一系列飛行運動。

首先建立兩個坐標系：機體坐標系、慣用坐標系。

慣用坐標系E(OXYZ)相對于地球表面不動。

機體坐標系A(oxyz)與機體質心重合，橫軸ox指向一號電機，縱軸oy指向四號電機，oz垂直于oxy面。

四旋翼飛行器歐拉角：

(1)橫滾角機體繞ox軸轉動角度。

(2)俯仰角(θ)：機體繞oy軸轉動角度。

(3)偏航角(ψ)：機體繞oz軸轉動飛行器縱軸在水平面內投影與慣性坐標系OX軸之間的夾角。

無人機動力學模型

根據四旋翼的姿態矢量(橫滾角，偏航角，俯仰角)以及位移矢量[x,y,z]，其動力學方程：