基于FMRLC的四旋翼無人機姿態控制研究

丁承君+++何乃晨

摘 要：隨著技術的發展，如今四旋翼無人機飛控系統中的姿態控制模塊已經摒棄了最初使用的傳統PID控制方式，大多數采用模糊PID控制方式，其核心是模糊規則和隸屬函數的制定。但是由于上述兩者一般通過技術人員的經驗來確定，所以并不能完全保證其正確性和精確性，為了彌補這個不足，文章提出了基于模糊模型參考學習控制（FMRLC）的模糊自適應PID控制方式，使得飛控系統在運行的過程中根據無人機實際飛行效果來發現原有規則和隸屬函數的不足，并對其作出實時修正，使系統性能得到不斷改善，進一步優化控制效果，增強四旋翼無人機的懸停以及飛行穩定性。

關鍵詞：四旋翼無人機；模糊自適應PID；模糊模型參考學習控制；飛行測試

1 概述

四旋翼無人機的姿態控制方法有多種，但最常用的當屬PID控制。經典PID雖然最為簡單實用，但由于PID參數固定需手動調節的問題，對于外部環境和數學模型多變的無人機來說需要頻繁的參數整定，既繁瑣又耗時。針對這個缺陷，近年來出現了基于模糊PID控制的姿態解算方法，此種方法可根據事先制定好的控制規則和隸屬函數使系統自行調節PID參數，克服了傳統PID的缺點[1]。但模糊PID控制的效果非常依賴于控制規則與隸屬函數，為了使上述兩者向更加合理的方向趨近，本文提出基于模糊模型參考學習控制（FMRLC）的模糊自適應PID控制方法，本方法可根據無人機的實際飛行效果與理想參考模型的對比來對模糊控制規則和隸屬函數進行實時修正，進一步優化模糊PID姿態控制效果，增強四旋翼無人機的飛行穩定性。

2 基于FMRLC的模糊自適應PID姿態控制

四旋翼無人機的姿態控制有四個通道，分別控制油門以及橫滾角、俯仰角、偏航角三個姿態角，其中影響無人機空中自穩性能的通道為橫滾角和俯仰角，由于四旋翼無人機機體的對稱性，所以橫滾角與俯仰角通道在控制方式以及PID參數調節方面具有相似性，本文以這兩個姿態角通道進行研究。

模糊模型參考學習控制（FMRLC）的控制結構圖如圖1所示，圖中下方虛線框內為傳統模糊PID控制的結構，其輸入為橫滾角誤差e和誤差變化率△e；輸出為PID參數變化量△Kp、△Ki、△Kd。模糊控制系統的核心是模糊控制器的設計[2]，包括模糊化、模糊推理、模糊規則以及去模糊化，其中模糊規則在本研究中即為姿態角PID參數的控制規則和隸屬函數。

將圖1上方所示的模糊規則學習機和參考模型加入到傳統模糊PID控制之中即為模糊模型參考學習控制，目的是修正模糊控制器中的模糊規則。參考模型是能夠產生期望輸出的傳遞函數，四旋翼無人機的姿態角通道在仿真和實驗時期望迅速而平穩的動態響應，且超調量盡可能小，理想一階慣性環節可得到此效果，可將其用作參考模型。把一階慣性環節階躍響應當做無人機的理想擾動響應，則參考模型輸出與實際輸出的誤差就可視作廣義誤差ye；誤差變化率為△ye，記作yec，兩者即為模糊規則學習機中模糊逆控制器的輸入量。

從圖1可知，模糊逆控制器與模糊控制器結構相同，其構建流程與模糊控制器也相似，輸入與輸出設定7個模糊子集：NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，依次表示為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。輸入參數模糊化之后，結合知識庫進行模糊推理，其輸出p作為修正量，所改變的則是模糊控制器輸出量的隸屬函數，修正方式為圖線整體在論域軸上的平移，平移量以p為依據，如此即可使輸出量隸屬函數去模糊化后得到的清晰值相對于傳統模糊PID輸出量更趨于合理，增強控制系統的適應性。

3 測試

測試用無人機所用機架為X450機架；電子調速器型號為FLYCOLOR 5V 3A-BEC無刷電調；電機型號為朗宇2212-9型1400KV無刷電機。飛控板中主控芯片選用STM32F103RCT6；通信模塊選用NRF24L01無線傳輸模塊；姿態傳感器選用MPU-6050六軸陀螺儀-加速度計模塊。分別采用傳統模糊PID與基于FMRLC的模糊自適應PID編寫無人機姿態控制模塊，隨后進行重心（電池）偏置的無人機懸停試驗。由于主控制器輸出的PWM信號高電平時間與電機轉速呈線性關系，故其可以代表電機的當前轉速，PWM信號輸出平穩說明四旋翼無人機電機轉速變化平穩，即代表無人機懸停時抖動幅度小、自穩性能好。

從圖2可以看出，（b）中波形明顯比（a）中波形幅度變化小且平穩。說明采用基于FMRLC的模糊自適應PID姿態控制的無人機自穩性能更好。

4 結束語

無人機的自穩性能是無人機飛控系統最重要的評判標準，本文將傳統模糊PID姿態控制優化為基于模糊模型參考學習控制（FMRLC）的模糊自適應PID姿態控制，通過對比測試表明了后者較之前者有更好的控制效果，印證了設計預期。

參考文獻

[1]劉慧博，王靜，吳彥合.無刷直流電機模糊自適應PID控制研究與仿真[J].控制工程，2014（04）：583-587.

[2]戴俊珂，姜海明，鐘奇潤，等.基于自整定模糊PID算法的LD溫度控制系統[J].紅外與激光工程，2014（10）：3287-3291.

作者簡介：丁承君（1973，9-），男，漢族，河北工業大學，教授，博士生導師。

何乃晨（1990，10-），男，漢族，河北工業大學，碩士研究生。