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，cf(s)为前馈补偿器。技术实现要素：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,kpkikd)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(kpkikd)；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：在构建无人机的动力学模型之前需要作出以下几点假设：①现实中的微型四旋翼无人机是均质并且对称的刚体；②建立的模型体系的原点与实物的几何中心重合；③假设实物所受外力不受高度影响；④四个机翼产生的各角度作用力与螺旋桨转速成正比；⑤地理坐标系和机体坐标系原点重合；根据刚体理论和牛顿-欧拉定理，可以发现系统属于非线性模型；无人机在平稳飞行状态下的飞行工况都接近在线性区域内，因此利用线性变参数lpv方法处理，得到线性化空间模型：y＝cx du(6)；其中和u是系统的输入量；y是系统的输出量，a,b,c,d是系数矩阵；将模型拉式变换后其传递函数为：通过查阅资料和实验室测量得到四个通道(俯仰通道，横滚通道，偏航通道和z轴)具体的传递函数。步骤三的具体操作方法如下：采用四旋翼无人机的四轴系统作为仿真研究对象，是基于以下几点考虑的：①作为四旋翼无人机模型的子系统，其结构与机体系统类似，均为非最小相位系统，因此仿真具有代表性；②结构相对简单，对硬件要求不高，方便研究说明问题；通过测量实际设计的四旋翼无人机参数，结合前面提出的无人机模型及经验试凑法，代入二自由度pidpid系统中，整定得到四轴的pitch模型传递函数模型为：可见四旋翼无人机上采用的四轴系统属于二阶无滞后系统。步骤四的具体操作方法如下：四轴pitch传递函数模型的扰动最优参数和设定值最优整定参数分别为(也可以使用根轨迹法)：(kp,ti,td)＝(6,0.3,0.074)；(kp,ti,td)＝(4.55,0.96,0.087)。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。附图说明图1是二自由度pid四轴系统的阶跃响应和干扰混合仿真图。图2是二自由度pid控制系统图。具体实施方式基于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,kpkikd)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(kpkikd)；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：在构建无人机的动力学模型之前需要作出以下几点假设：①现实中的微型四旋翼无人机是均质并且对称的刚体；②建立的模型体系的原点与实物的几何中心重合；③假设实物所受外力不受高度影响；④四个机翼产生的各角度作用力与螺旋桨转速成正比；⑤地理坐标系和机体坐标系原点重合；根据刚体理论和牛顿-欧拉定理，可以发现系统属于非线性模型；无人机在平稳飞行状态下的飞行工况都接近在线性区域内，因此利用线性变参数lpv方法处理，得到线性化空间模型：y＝cx du(6)；其中和u是系统的输入量；y是系统的输出量，a,b,c,d是系数矩阵；将模型拉式变换后其传递函数为：通过查阅资料和实验室测量得到四个通道(俯仰通道，横滚通道，偏航通道和z轴)具体的传递函数。步骤三的具体操作方法如下：采用四旋翼无人机的四轴系统作为仿真研究对象，是基于以下几点考虑的：①作为四旋翼无人机模型的子系统，其结构与机体系统类似，均为非最小相位系统，因此仿真具有代表性；②结构相对简单，对硬件要求不高，方便研究说明问题；通过测量实际设计的四旋翼无人机参数，结合前面提出的无人机模型及经验试凑法，代入二自由度pidpid系统中，整定得到四轴的pitch模型传递函数模型为：可见四旋翼无人机上采用的四轴系统属于二阶无滞后系统。步骤四的具体操作方法如下：四轴pitch传递函数模型的扰动最优参数和设定值最优整定参数分别为(也可以使用根轨迹法)：(kp,ti,td)＝(6,0.3,0.074)；(kp,ti,td)＝(4.55,0.96,0.087)。大量实验表明，α，β，γ只需要选择推荐值(如下表1)，一般都能达到良好的控制效果。表1二自由度pid系数经验值综合控制算法αβγp-i-pid0.400pi-pid0.40.150pid-pid0.40.150.48利用matlab/simulink将二自由度pidpid四轴系统进行阶跃响应加入阶跃干扰仿真实验，为了更具说服力，加入幅度值为1的阶跃输入信号混合入幅度也为1的干扰信号，等系统稳定运行后，观察图形。从图1中观察到，二自由度pidpid结构下的pitch无人机模型阶跃响应可以在很短的时间内稳定在某一个值，而且干扰效果不明显，证明二自由度pidpid算法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，扰动响应同时也达到最优，在高压线夹检测中具有很好的实用效果。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种基于pitch模型的四旋翼无人机二自由度pid控制仿真研究方法，其特征在于：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。
2.根据权利要求1所述的基于pitch模型的四旋翼无人机二自由度pid控制仿真研究方法，其特征在于：步骤一的具体操作方法如下：
一组二自由度pid参数，即(α,β,kpkikd)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(kpkikd)；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)。
3.根据权利要求1所述的基于pitch模型的四旋翼无人机二自由度pid控制仿真研究方法，其特征在于：步骤二的具体操作方法如下：
在构建无人机的动力学模型之前需要作出以下几点假设：
①现实中的微型四旋翼无人机是均质并且对称的刚体；
②建立的模型体系的原点与实物的几何中心重合；
③假设实物所受外力不受高度影响；
④四个机翼产生的各角度作用力与螺旋桨转速成正比；
⑤地理坐标系和机体坐标系原点重合；
根据刚体理论和牛顿-欧拉定理，可以发现系统属于非线性模型；无人机在平稳飞行状态下的飞行工况都接近在线性区域内，因此利用线性变参数lpv方法处理，得到线性化空间模型：
y＝cx du(6)；
其中和u是系统的输入量；y是系统的输出量，a,b,c,d是系数矩阵；
将模型拉式变换后其传递函数为：
通过查阅资料和实验室测量得到四个通道(俯仰通道，横滚通道，偏航通道和z轴)具体的传递函数。
4.根据权利要求1所述的基于pitch模型的四旋翼无人机二自由度pid控制仿真研究方法，其特征在于：步骤三的具体操作方法如下：
采用四旋翼无人机的四轴系统作为仿真研究对象，是基于以下几点考虑的：
①作为四旋翼无人机模型的子系统，其结构与机体系统类似，均为非最小相位系统，因此仿真具有代表性；
②结构相对简单，对硬件要求不高，方便研究说明问题；
通过测量实际设计的四旋翼无人机参数，结合前面提出的无人机模型及经验试凑法，代入二自由度pidpid系统中，整定得到四轴的pitch模型传递函数模型为：
可见四旋翼无人机上采用的四轴系统属于二阶无滞后系统。
5.根据权利要求1所述的基于pitch模型的四旋翼无人机二自由度pid控制仿真研究方法，其特征在于：步骤四的具体操作方法如下：
四轴pitch传递函数模型的扰动最优参数和设定值最优整定参数分别为(也可以使用根轨迹法)：(kp,ti,td)＝(6,0.3,0.074)；(kp,ti,td)＝(4.55,0.96,0.087)。
技术总结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。
技术研发人员：俞华;安勤岗;黄纯德;芦竹茂;晋涛;高义斌;刘永鑫;赵亚宁;孟晓凯;杨虹;白洋;韩钰;田赟
受保护的技术使用者：国网山西省电力公司电力科学研究院
技术研发日：2019.12.27
技术公布日：2020.05.19
