论文部分内容阅读
随着航空农业的发展,固定翼以及直升飞机等各种飞行器逐渐应用于农业植保作业中。四轴飞行器是一种无人控制的四旋翼直升飞机,能实现垂直起降,同时具有飞行稳定、控制灵活、结构简单、易于维护等特点,能够适应植保作业中的复杂环境;其次,四轴飞行器可以灵活挂载各种器具,高效率完成监控、墒情采集、播种、喷洒药物、施肥等各种农业作业项目。因此,加强对四轴飞行器的深入研究和应用推广具有非常重要的意义。本文主要以具有一定带负载能力的小型四轴飞行器为研究对象,通过研究四轴飞行器的飞行原理设计飞行器的控制系统。首先,通过学习了解四轴飞行器的机械结构,以及飞行器在作业过程中结构特性改变的规律,设计制作了飞行器的试验平台,建立了相关的数学模型。其次,根据四轴飞行器的控制原理,选用STM32单片机为核心处理器,结合多种姿态传感器和无线数据传输设备,设计制作了四轴飞行器软件控制系统。再次,控制器通过姿态数据解算,实时获取飞行器的飞行姿态,同时采用模糊PID控制算法实现对四轴飞行器的姿态控制。试验过程中,先采用Matlab对方案进行仿真试验,仿真通过的基础上,再在试验平台上进行测试,进一步检验飞行器控制算法的优越性。在以上研究的基础上,最终完成四轴飞行器的整体设计和样机试制。本文通过MATLAB对传统PID和模糊PID控制算法的仿真和比较,仿真结果显示:在系统的比例系数为5,积分系数为0.03和微分系数为1,增益K为1时,采用传统PID算法,系统超调量为41.9%,上升时间为0.78;在模糊PID算法控制下,系统超调量为28.6%,上升时间为0.78s;较之于传统PID算法,模糊PID算法比控制下系统超调量降低了13.3%,上升时间减少了0.09s。在试验平台上运行,在较小载荷下,传统PID算法控制的四轴飞行器振荡而在模糊PID算法控制下系统能稳定,同时在较大载荷下,采用传统PID算法,系统超调量为37.5%,上升时间为0.62;在模糊PID算法控制下,系统超调量为22.5%,上升时间为0.57s;采用模糊PID的控制系统超调量降低了15.0%,上升时间减少了0.05s,验证了仿真结果。试验结果表明传统PID控制算法在调试稳定后只在飞行器结构参数固定时具有较好的控制品质,而在外界环境干扰较大或者飞行器自身机构特性发生改变时的控制品质较差,基于模糊PID控制的四轴飞行器,能够在线优化控制系数,具有很好的抗干扰能力,在载荷变动时飞行也能保持稳定。通过在试验平台上对算法进行实测,进一步证明了算法的可行性。飞行器的田间试验进一步表明,植保四轴飞行器能够良好的实现稳定的飞行姿态控制。