[发明专利]应用于应急指挥无人机姿态控制的新型PID控制方法

说明书

本发明公开了一种应用于应急指挥无人机姿态控制的新型PID控制方法，本发明能够依据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对控制系统性能的影响，跳出传统PID控制算法比例、积分、微分各环节线性组合的框架，在调节过程的不同阶段，依据偏差值的变化，实时改变PID控制器的结构和参数，调整PID控制器各构成环节的作用强度，以某种非线性形式组合比例、积分、微分这3个状态量，形成变系数的PID控制器，将有助于提高控制系统的性能，获得比经典PID更好的控制性能。

技术领域

本发明涉及防灾减灾技术领域，特别是涉及一种应用于应急指挥无人机姿态控制的新型PID控制方法。

背景技术

我国是世界上自然灾害最严重的国家之一，各种气象灾害、地质灾害和水火灾害等频繁发生。对社会的稳定，经济的发展，人民群众生命财产安全构成严重威胁。为最大限度地减少各类灾害事故带来的危害和损失，确保社会稳定和群众安全，迫切需要建立有效的灾害应急指挥管理系统。然而，海啸、地震、火山、飓风、山洪、泥石流、火灾等灾害往往具有突发性，且受灾现场信息量巨大，灾前预警分析、疏散抢救受灾群众、调集分配救灾物资等工作刻不容缓，救灾领导组需要在最短的时间内做出最正确的决策，对信息的处理能力和反应速度具有很高要求。如何使救灾指挥人员在第一时间获得最全面、最可靠、最直观的灾害现场信息，就成为了救灾减灾研究工作的重中之重。

无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。具有速度快、视野广、不惧怕恶劣自然环境的优点，搭载智能视频探测装置的无人机，可以轻松的飞临受灾区域上空，拍摄现场画面，采集环境信息，及时准确的获取救灾应急指挥所需的信息。

宏观展现受灾区域的地形地貌、道路、物资、基础设施、救援设备、救灾人员、受灾群众的宏观位置、状态和数量等信息。使救灾指挥人员能够在第一时间直观地看到实时传输的灾害现场动态画面，及时预测灾害现场态势演变，从而科学地部署救灾力量，有效地进行救灾应急指挥调度。该系统具有方便直观、数据集成度高、指挥通信方便的特点。

PID控制是自动化控制领域内一种经典的控制方法，具有算法简单、操作简单、不依赖数学模型的特点。中小型无人机，尤其四旋翼无人机的姿态控制中普遍采用了PID控制算法。传统PID控制器的结构是比例、积分、微分环节的线性组合。大量的实践表明,比例、积分、微分三个环节线性组合时，对控制系统产生的影响互相耦合，各环节的作用强度难以平衡，常引起快速性和超调量之间的矛盾。而积分分离、积分限幅、变速积分、不完全微分算法等改进算法，都没有对传统PID控制算法公式的结构进行改动，而仅仅能够在某个单一问题的解决中发挥作用。此外，无人机姿态控制被控对象存在惯性大、非线性、强干扰等特性,用一组事先整定的PID参数实施控制难以达到很好的控制效果, 尤其是出现较强的外部扰动时，控制性能急剧下降，影响无人机姿态控制的稳定性和航拍画面的质量。

经过大量的分析研究表明，如果能够依据比例、微分、积分各环节各自在调节过程中的作用以及对控制系统性能的影响，跳出传统PID控制算法比例、积分、微分各环节线性组合的框架，在调节过程的不同阶段，依据偏差值的变化，实时改变PID控制器的结构和参数，调整PID控制器各构成环节的作用强度，以某种非线性形式组合比例、积分、微分这3个状态量，形成变系数的PID 控制器，将有助于提高控制系统的性能，获得比经典PID更好的控制性能。

基于以上背景，本发明提出了一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供本发明提出了一种应用于救灾应急指挥无人机姿态控制的变系数PID控制方法。

为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：