摘要
随着近年来科学技术的不断进步，四旋翼无人机取得突飞猛进的发展。四旋翼无人机正在快速的应用于生活与军事等各个领域，同时四旋翼无人机集成度高，体积小，负载能力强，灵活度高等特点被广泛应用于遥感监测、航拍、灾后救援等人类很难涉足的区域，但是这些区域通常都会伴随着强风的干扰。风的影响主要体现在对四旋翼无人机姿态控制等多方面的影响，是对四旋翼无人机稳定性能的巨大考验。因此对四旋翼无人机抗风扰动、稳定性研究至关重要。本文对四旋翼无人机抗风扰动和稳定性控制进行了探究与分析，设计含前馈补偿的双环proportionintegraldifferential(PID)控制器，并在外部风扰动的条件下进行了仿真实验验证其控制器的稳定性与有效性。研究内容主要包括： (1)首先分析了四旋翼无人机的机身结构，对飞行原理进行了描述与分析，根据其原理建立机体坐标系以及地理坐标系，推导出机体坐标系与地理坐标系的坐标旋转矩阵，在此基础上，以牛顿欧拉方程为基本框架，从动力学及运动学两方面对四旋翼无人机进行分析，推导出四旋翼无人机的动力学及运动学非线性数学模型。 (2)其次针对无人机在飞行过程中对稳定性控制的影响主要是风的扰动，所以对风速的变化特性进行分析，建立相应的风场模型，结合动力学方程，将风场模型引入到四旋翼无人机动力学模型建模过程中，建立带有风扰动因子的四旋翼无人机动力学模型。并且将风场模型作为外部干扰输入到四旋翼无人机控制器系统仿真中，系统的输出直接反应控制器对系统的控制稳定性能以及抗风扰动性能。 (3)最后对PID控制方法进行分析，基于所建立的带有风扰动因子的四旋翼无人机动力学模型，提出含有前馈补偿的双环PID控制器，以期望欧拉角与当前欧拉角的误差入手设计了具有前馈补偿的PID控制器。根据按扰动输入的复合控制系统原理，前馈通道补偿器的参数与风场扰动模型以及四旋翼无人机运动学模型有关。带有风扰动因子的四旋翼无人机动力学模型是非线性动力学模型，采用linearparameter-varying(LPV)法对非线性系统进行线性化处理，推导出无人机俯仰通道、滚转通道以及偏航通道的传递函数，并在MATLAB中搭建单环PID控制器仿真模型、双环PID控制器仿真模型以及含有前馈补偿的双环PID控制器仿真模型，通过对俯仰通道、滚转通道以及偏航通道的仿真以及对这三个通道的抗风扰动仿真实验，进而验证了含前馈补偿的双环PID控制器响应时间更短，系统更稳定以及抗风干扰性能更强。
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