[发明专利]一种四旋翼飞行器的串级变论域模糊PID姿态控制系统及方法

说明书

本发明公开了一种四旋翼飞行器的串级变论域模糊PID姿态控制系统及方法，包括电机、四旋翼飞行器、第一变论域模糊PID控制器和第二变论域模糊PID控制器；所述第一变论域模糊PID控制器和第二变论域模糊PID控制器串联，电机根据第二变论域模糊PID控制器的输出作用于四旋翼飞行器；所述第一变论域模糊PID控制器控制四旋翼飞行器的姿态角角度，所述第二变论域模糊PID控制器控制四旋翼飞行器的姿态角角速度。

技术领域

本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种四旋翼飞行器的串级变论域模糊PID姿态控制方法。

背景技术

四旋翼无人机与传统的直升机相比，其体积小、质量轻、结构紧凑且原理简单，因此近年来被广泛应用于军事领域和民用领域。然而它的强耦合、欠驱动、非线性等缺点成为了研究的一大难点。如何更好的控制四旋翼无人机的姿态也成为近年来研究领域的热点。

目前最经典的控制算法为PID控制算法，一系列不断改进的PID控制算法在一定程度上对无人机的姿态控制有所改善，但或多或少仍存在着不足。有学者提出了模糊PID控制，该控制方法增强了系统的鲁棒性，但是自适应能力差，模糊控制器一旦确定，结构就不能在线修改，且一般的模糊PID控制都是单级控制，其稳定性与鲁棒性都低于串级控制。因此针对存在的不足之处，需探索新的控制方法。

发明内容

针对现有四旋翼飞行器姿态控制算法的不足，本发明提出了一种四旋翼飞行器的串级变论域模糊PID姿态控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种四旋翼飞行器的串级变论域模糊PID姿态控制系统，包括电机、四旋翼飞行器、第一变论域模糊PID控制器和第二变论域模糊PID控制器；所述第一变论域模糊PID控制器和第二变论域模糊PID控制器串联，电机根据第二变论域模糊PID控制器的输出作用于四旋翼飞行器；所述第一变论域模糊PID控制器控制四旋翼飞行器的姿态角角度，所述第二变论域模糊PID控制器控制四旋翼飞行器的姿态角角速度。

进一步的，所述姿态角包括滚转角、俯仰角和偏航角。

进一步的，所述第一变论域模糊PID控制器和第二变论域模糊PID控制器的结构相同，以姿态角角度或姿态角角速度的误差和误差变化率为输入，以整定后的修正系数为输出；所述整定后的修正系数包括比例系数、积分系数、微分系数(K_p、K_i、K_d)；K_p＝K_p′+ΔK_p，K_i＝K_i′+ΔK_i，K_d＝K_d′+ΔK_d，其中K_p′、K_i′、K_d′为PID控制器的初始参数，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d分别表示修正值；

具体结构包括论域调整模块、模糊控制器和PID控制器；

所述论域调整模块，用于根据误差反馈使输入与输出变量的论域自行适当调节，逼近预期值；所述输出变量为修正值；

所述模糊控制器，用于对输入的误差和误差变化率进行模糊化处理，利用知识库中的知识和规则，对经过模糊化处理的值依次进行模糊推理和去模糊化处理，得到修正值；

所述PID控制器，用于根据修正值，输出整定后的修正系数。

进一步的，还包括四旋翼飞行器姿态角获取模块和角速度获取模块，所述四旋翼飞行器姿态角获取模块用于获取四旋翼飞行器当前姿态角，所述角速度获取模块用于获取四旋翼飞行器当前角速度；

所述第一变论域模糊PID控制器以四旋翼飞行器当前姿态角与期望姿态角之间的误差和其对应的误差变化率为输入，以经控制器修正后的比例系数、积分系数、微分系数为输出；