[发明专利]基于Pitch模型的四旋翼无人机二自由度PID控制仿真研究方法

说明书

本发明涉及导航定位技术，具体是一种基于Pitch模型的四旋翼无人机二自由度PID控制仿真研究方法。本发明克服了传统PID控制器存在的局限性。基于Pitch模型的四旋翼无人机二自由度PID控制仿真研究方法，该方法是采用如下步骤实现的：步骤一：二自由度PID算法参数整定过程；步骤二：四旋翼无人机的简化动力学模型构建；步骤三：构建二自由度PID下的四轴传递函数模型；步骤四：阶跃信号叠加干扰信号混合响应仿真。本发明的优点在于：此算法结构可以使携带高压线夹检测装置的无人机系统得到稳定控制，鲁棒性明显提升，扰动响应同时也达到最优，在高压线夹检测要求苛刻的情况下具有良好的实用效果。

技术领域

本发明涉及导航定位技术，具体是一种基于Pitch模型的四旋翼无人机二自由度PID控制仿真研究方法。

背景技术

四旋翼无人机是具有可垂直起降(VTOL)的飞行器，这种飞行器有很多优点，在军事，民用和商用方面占据一席之地，而且具有良好的研究价值。在民用方面如目标跟踪，缉毒和反走私，尤其是在大桥，高压线和航拍中占据一席之地。因此四旋翼无人机的控制结构也随着发展起来，例如PID控制，鲁棒控制，模糊控制，非线性控制和佐治亚大学提出的自适应神经网络控制结构，其中模糊控制和鲁棒控制具有应对不确定性和干扰的能力，但是计算量很大，非线性控制要求飞行器的动力学模型及其精确，综合考虑我们采用高精度的二自由度PID结构，结合国际上较先进的四旋翼无人机Pitch模型，来仿真研究，验证此控制结构与在搭载高压线夹检测装置的无人机稳定控制方面具有很好的鲁棒性和实用价值。针对传统PID控制器存在的局限性，只能针对设定值跟踪最佳参数和扰动抑制最佳参数两种情况之一进行设计，赫尔维茨在1963年提出了二自由度PID控制结构，可以同时使设定值跟踪性能和扰动抑制性能得到优化。

传统的PID控制系统：

对于二自由度PID控制系统：

二自由度PID控制系统图如图2所示。

其中C(s)为串行补偿器，C_f(s)为前馈补偿器。

发明内容

本发明为了克服传统PID控制器存在的局限性，提供了一种基于Pitch模型的四旋翼无人机二自由度PID控制仿真研究方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

基于Pitch模型的四旋翼无人机二自由度PID控制仿真研究方法，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤一：二自由度PID算法参数整定过程；

步骤二：四旋翼无人机的简化动力学模型构建；

步骤三：构建二自由度PID下的四轴传递函数模型；

步骤四：阶跃信号叠加干扰信号混合响应仿真。

步骤一的具体操作方法如下：

一组二自由度PID参数，即(α,β,k_pk_ik_d)的整定；根据二自由度PID参数的可分离性以及二自由度PID与PID的闭环特征多项式的统一性，首先求解具有PID稳定域以及性能指标约束下的参数域；然后，根据相容性原则求取满足要求的PID参数域；然后，根据非脆弱性原则，取得上面参数域的最大内切球心(切比雪夫中心)，也就得到了二自由度PID的一组参数(k_pk_ik_d)；最后，基于指标利用遗传结构与和Simulink求取二自由度PID的另一组参数(α,β)。

步骤二的具体操作方法如下：