【《四旋翼飞行器输电线路巡检系统设计》11000字（论文）】

四旋翼飞行器输电线路巡检系统设计目录TOC\o"1-4"\h\u23553摘要 iii19231第1章绪论 -1-302281.1课题研究背景与意义 -1-315771.2国内外研究现状 -2-122321.3论文主要研究内容 -3-433第2章四旋翼无人机飞行原理及姿态 -4-190792.1四旋翼无人机飞行原理 -4-204212.2“+”型和“X”型两种飞行姿态 -4-37072.2.1“+”型飞行姿态原理 -5-240562.2.2“X”型飞行姿态原理 -8-102012.3本章小结 -10-20378第3章四旋翼无人机巡线系统硬件构成 -11-319583.1四旋翼无人机硬件系统构成 -11-106433.1.1四旋翼无人机主控芯片STM32F407 -11-246343.1.2SPI方式的传感器 -13-141093.1.3惯性传感器icm20602 -13-280623.1.4气压传感器SPL06 -14-219023.1.5磁场传感器AK8975 -15-11803.1.6拓展接口 -16-264383.2四旋翼无人机搭载的OpenMV摄像头 -17-170173.3飞控连接电脑地面站 -18-284773.4四旋翼无人机GPS模式介绍 -19-56423.5本章小结 -20-8644第4章四旋翼无人机飞行控制算法 -21-102184.1经典PID控制算法 -21-280344.2模糊PID控制算法 -23-88854.2.1模糊控制 -23-144394.2.2模糊PID控制 -24-299264.3本章小结 -32-11861第5章结论与展望 -32-15920参考文献 -34-摘要安全稳定的电力系统是我国快速发展制造业，提高科技水平的强力后备军。我国架设的杆塔覆盖面积广，涉及的地域环境多样复杂，输电线路长时间暴露在恶劣的外界环境下，遭受复杂未知的天气状况，如雨、雪、霜等，都会一定程度地缩短线路的耐用年限，致使绝缘子闪络放电，输电导线断股、杆塔部件损坏等事故发生，严重威胁了我国电网安全稳定的运行。在此前提下，电力系统中显得尤其主要的输电线路平常巡检任务被当成了科学技术人员研究攻克的对象，就目前而言，我国电网仍采用以派遣专业电力人员前往实地，凭借人力完成线路巡检任务为主体的巡线机制。但其自身的局限性不能很好地满足互联大电网的需求，仅凭人工完成巡线任务受外界因素制约较大，费时费力，而且不能很好地保障巡线员的自身安全，随着科技不断进步，新型的巡线方式也不断被提出。本文以四旋翼无人机为研究对象，提出了用四旋翼无人机对输电线路进行巡检工作的方案。首先在实验室观摩了四旋翼飞行器实物，结合飞行器自带的飞控说明书，对本系统所要研究的四旋翼飞行器硬件模型架构有一定程度的了解；其次通过查阅中外文资料，研习了其基本飞行原理和经典飞控模式，最后在软件平台完成了对四旋翼无人机飞控源码的编写，最终实现对四旋翼无人机的姿态导向控制，完成四旋翼无人机巡线任务。关键词：四旋翼无人机；无人机巡线；姿态导向控制第1章绪论1.1课题研究背景与意义电力系统与人民生活幸福程度、提高现代科技水平、研发各领域高尖端产品、保障国家的安全稳定息息相关，为此，我国加快电网全面跨越升级，推动能源互联互通，近年来建设了以特高压输电线路为主要骨架的全国互联大电网，在全国范围内杆塔架设涉及的地域面积更广，面对的外界环境情况更为复杂，同时也对输电线路提出了更高的要求，长期裸露在户外的输电线路和杆塔，每天经受难以精准预测的大气环境和气候变化挑战，可能会发生绝缘子闪络、线路金具损伤、雷击跳线等电力故障；更有甚者，为了个人利益偷盗破坏，从而导致输配电网发生瘫痪，面对这种情况，如果不能及时检测到复杂多样的故障，并进行排解和维护，那么将会严重威胁到国家电力系统和人民生活的安全与稳定。定期完成输电线路的巡检任务是目前解决以上问题的最有效的方法。在我国，输电线路巡检主要分为人工巡检和无人机巡检。就当下而言，人工巡检的巡线方式更为普及，但随着电网构架的不断升级，也使得人工巡检模式的弊端被暴露地一览无遗，用人力完成庞大的巡线任务，费时费力，且容易受到外界条件的制约，在一些危急时刻不能及时处理故障，也不能完全保证巡线工作人员的生命安全。面对此种情况，四旋翼飞行器的优势被淋漓尽致地体现出来，它能在复杂的地形地貌之间穿越自如，如偏远山区、高海拔地区、无人区、自然保护区等不方便人力进出的地区，代替人力完成巡线工作，通过对定点（例如，架空线杆塔、金具、绝缘子片等）进行拍照录影，达到故障检测的目的，并实时传回数据，由专业电工人员第一时间对故障进行分析，完成检修，以保证此片区域的用电正常[1]。无人机巡检可以补偿人工巡线带来的缺陷问题，这项巡线系统是以多方面、多领域的技术知识综合起来，并结合其自身硬件融会贯通为基础，利用GPS、通信、色块识别、飞行控制等一系列目前比较成熟技术手段，最终成功实现其应用功能[2]。例如，当发生重大自然灾害时，无人机可以第一时间到达灾害故障点，排除线路故障，保障后续救援任务的及时推进，做灾后重建电塔、电线，在最短时间内恢复供电的强力前行者，提高重灾抢险效率，并快速准确地为受灾地区进行定损评估[3]。因此，四旋翼无人机巡线模式的普及是当今国家电力系统完成日常巡线任务的必然趋势，这一现象也符合用现代高尖端科技改善提高国家人民生活水平的宗旨，建设更稳定更美好的国家。1.2国内外研究现状目前国内外对于无人机巡线技术的研究均取得了一定的成果，有些已经投入实际应用当中，并在与人的不断磨合中造福当今社会。下表列出了一部分目前国内外对此项技术现状：国外研究现状日本关西电力公司与千叶大学展开合作，联手研究开发了无人机输电线路巡线系统，拥有故障自动检测和三维图像监测功能让这套系统在众多研究成果中脱颖而出[4]。由CSIRO（CommonwealthScientificandIndustrialReasearchOrganisation）研发的能实现自动探测、自动避障功能的无人机，让该组织在国外无人机巡线研究方面也称得上是硕果累累。国内研究现状我国电网于2009年成立了无人机巡检专项项目，用6年时间在全国各地公司不断试点并取得良好效果，于2015年基本实现以人巡为主，机巡为辅到机巡为主,人巡为辅的巡线模式转变。大疆的经纬M100系列无人机，不再使用传统检测技术（外搭摄像头等技术），而是采用了更先进的热成像技术搭载热成像相机，以此准确定位故障发生点。我们研究设计四旋翼无人机实现输电线路巡检系统的首要目的是，要从本源上解决目前电网中日常巡线工作效率低下经济利用价值不高等问题，那么如果要实现该系统的安全性和稳定性，我们就需要四旋翼无人机GPS导航技术和四旋翼无人机悬停飞控姿态技术这两项强大的技术支撑，作为理论基础后盾，使得系统硬件部分能有力推进。让四旋翼无人机在保证自身安全下，完成巡线任务，及时巡查到故障点。该项技术优势明显，但同时带来的缺陷也不容小觑，在外界复杂多变的天气中，例如，常见的毛毛雨、冰霜、雷击等恶劣天气，这两种技术作为该项技术强有力的理论支撑，仍然能保证巡检数据的有效性。但是，该项技术尚且存在一些问题和不足，等待后续的研究去继续完善，特别是无人机的续航问题，通常情况下，无人机体积小、轻便，不宜携带大容量电池，本身自带的电池容量小，航行时间短，到运行后期，供电不足可能会导致收集到的数据失去准确性，更严重则会发生无人机与操作人员断联的情况发生。为了提高电力日常巡检工作与我国拓展大电网的适配度，改变目前的巡线模式，引入更为先进、更为现代化的巡线机制是我们所提倡的，用飞行器巡线逐步替代人力巡线是我们首要采用的解决方法，在已有基础上，继续完善和解决四旋翼飞行器生产成本、续航能力、巡线精度等方面的问题，是一项长期且艰巨的任务[5]。随着未来智能化的普及，无人机巡线系统有良好的发展前景。无人机在电网中的应用目前仍需要长期的深入研究，例如在无人机机型选择、通信系统改良、导航设备升级、操控性能、精准规划航迹等方面还有很多工作需要做[6]。但通过对尚未解决的问题进行深入研究和实际试点，能提升该项技术在电力系统中的普及程度，有效提高日常巡线工作效率和安全可靠性，确保国家电力系统长期安全稳定的运行。1.3论文主要研究内容本文主要研究四旋翼无人机输电线路巡检系统的设计，通过对四旋翼无人机的硬件构造的分析，了解飞控系统硬件配置及其拓展接口、飞控基本传感器、飞控参数配置、飞控连接接收机及相关电调和电机检查等方面，再利用开发环境进行软件方面的编写，最终软硬件搭配，实现四旋翼无人机稳定飞行，完成对输电线路的数据采集。本论文分为5章，每章涉及的主要内容简介如下：第一章是结合实际分析了四旋翼无人机输电线路巡检系统的研究背景及研究意义，以及目前在国内外的研究现状；第二章重点介绍了四旋翼飞行器的飞行原理、“+”型和“X”型两种不同的飞行姿态。结合无人机结构简化图分析四个电机转速和转向变化对无人机飞行姿态的影响。第三章系统地介绍了四旋翼无人机硬件系统构成，OpenMV摄像头、连接地面站以及GPS导航系统。第四章分析了两种控制算法经典PID算法和模糊控制PID算法，并利用MATLAB软件搭建simulink模块仿真，得到两种算法的仿真响应曲线，由此分析结果和可行性。第五章是本文的结论与对该系统的未来展望，对每章节完成的工作进行复盘总结，并对四旋翼无人机输电线路巡检系统的未来发展提出新的展望。第2章四旋翼无人机飞行原理及姿态2.1四旋翼无人机飞行原理想要四旋翼无人机成功地完成起飞降落等基本操作，并顺利地进行后续工作任务，不单单是让机身四角的飞行旋翼转动起来，就可以实现的。每个电机控制的转速不同，每个不同位置上的飞行旋翼产生的力度也大不相同，则整个四旋翼无人机机体的受力情况也随之发生改变，从而致使整个四旋翼无人机的运动形态发生变化。那么为了让四旋翼无人机达到我们设定的预期功能，首先最为重要的一点，就是通过时时刻刻对电机调速器进行调节，使每个电机在Δt内转速发生微小改变，让四旋翼无人机不断达到一个动态平衡稳定的情况，以此来实现对无人机姿态和运动的控制。通常而言，我们主要用“悬停”“俯仰”“横滚”“偏航”这四种来描述四旋翼无人机的飞行姿态。那么，接下来依次介绍一下这四种飞行姿态。2.2“+”型和“X”型两种飞行姿态由于四旋翼无人机自身结构存在特殊的对称性，选取不同的机轴作为对称轴，能得到不同的飞行姿态。“+”型飞行器，顾名思义就是选取两个相对的旋翼电机分别作为机头和机尾，且两侧各有一个电机；“X”型飞行器，则是选取两个电机作为机头，余下的两个电机作为机尾。（a）“（a）“+”模式（b）“X”模式图2-4两种四旋翼飞行器的飞行姿态2.2.1“+”型飞行姿态原理如图2-4（a）所示即“+”型四旋翼无人机飞行姿态。垂直方向上的运动调节四个方向上的电机控制器，同时控制1、2、3、4四个电机的转动，保证这四个飞行旋翼的转速同时增大或者减小，此时，由旋翼转动产生的力对整个机身仅存在垂直方向上的影响，使四旋翼无人机在垂直方向上完成上升和下降的运动过程，如图2-5所示。图2-5图2-5前后方向上的运动实现飞行器向前飞行：保持2、4电机转速不变，电机1转速调大（或者减小电机3的转速），向前上方的合力作用于整个机身，如图2-6（a）所示。实现飞行器往后飞行，2、4电机保持原始状态，减小电机1的转速（或者增大电机3的转速），作用于整个机身的力方向呈现后上方，如图2-6（b）所示。（a（a）（b）图2-6左右方向上的运动如果控制四旋翼无人机左右飞行，实现滚转运动，与前后方向运动控制不同，前后方向是改变X轴上两个飞行旋翼的转速，左右方向则改变Y轴上的两个飞行旋翼转速，在保持电机1、3转速不变的前提下，使电机2的转速变大（或使电机4的转速变小），左上方产生的合力则会带动四旋翼无人机向左飞行，如同图2-7（a）所示；同样地，使电机2的转速变小（或者使电机4的转速变大），右上方产生的合力则会带动四旋翼无人机向右飞行，如同图2-7（b）所示。（a（a）图2-7（b）左右偏航运动通过改变飞行倾斜角来完成偏航运动，减小电机1、3的转速（或者增加电机2、4的转速），即可实现左偏航，此时四旋翼无人机向左旋转，如图2-8（a）所示。反之，增大电机1、3的转速（或者减小电机2、4的转速），即可实现右偏航，此时无人机向右旋转，如图2-8（b）所示。（a（a）（b）图2-82.2.2“X”型飞行姿态原理如图2-4（b）所示即“X”型四旋翼飞行器飞行姿态。1.垂直方向上的运动“X”型飞行姿态在垂直方向上的运动与“+”型飞行姿态是同样的原理，都是同时增大（或者减小）电机1、2、3、4的转速，就可以实现，如图2-9（a）所示。2.前后方向上的运动前向飞行：减小旋翼1、旋翼2产生的力，即减小电机1、2的转速（或者增大旋翼3、旋翼4产生的力，即增大电机3、4的转速）反之，即能实现飞行器后向运动。如图2-9（b）所示。3.左右方向上的运动向左飞行：减小旋翼2、旋翼3产生的力，即减小电机2、3的转速（或者增大旋翼1、旋翼4产生的力，即增大电机1、4的转速）同样，将以上操作反之应用就能实现向右飞行。如图2-9（c）所示。4.左右偏航运动向左偏航：减小旋翼1、旋翼3产生的力，即减小电机1、3的转速（或者增大旋翼2、旋翼4产生的力，即增大电机2、4的转速）右偏航操作只需反向操作即可如图2-9（d）所示。图2-9图2-92.3本章小结本章详细说明了四旋翼无人机的飞行原理，包括悬停、俯仰及横滚、偏航运动的定义，然后详细介绍了“+”型和“X”型两种不同飞行姿态下的各种运动方式，包括垂直、仰俯、滚转、偏航四个运动，由四电机转速和转向改变影响机身受力变化，实现运动的改变。第3章四旋翼无人机巡线系统硬件构成3.1四旋翼无人机硬件系统构成四旋翼无人机整体硬件结构图，如图3-1所示。图3-1四旋翼无人机硬件结构图3.1.1四旋翼无人机主控芯片STM32F407本项目研究的四旋翼飞行器使用最常见，资料相当丰富的STM32F407芯片作为主控芯片,该类型芯片目前主要用于需要在小封装内实现高集成度、性能更好、需要嵌入式存储器以及外设的医疗、工业或者消费类产品，其工作频率在168MHZ。具体的优良性能、功效、连接功能如下表所示：性能在频率为168MHz的前提下，Flash存储器执行时，该型号芯片能够提供更优良的性能。利用意法半导体的ART加速器能实现FLASH零等待状态。DSP指令和浮点单元使产品的应用范围扩大。功效该系列产品采用意法半导体90nm工艺和ART加速器，具有动态功耗调整功能，实现低至238µA/MHz的电流消耗。这一功能，在运行模式下同样适用。连接功能（具有出色的创新型外设）该系列产品具有符合IEEE1588v2标准要求的以太网MAC10/100。拥有能够连接CMOS照相机传感器的8~14位并行照相机接口。该强大的168MHZ主控芯片，能够支持多种类型的二次开发，与此同时，在四旋翼无人机的飞控板上预留了多个拓展接口，比如串口，外接设备，GPS、超声波、WIFI、树莓派等等，带来了卓越的运行速度，如图3-2所示。图3-2图3-23.1.2SPI方式的传感器本项目中飞控板上没有使用常规的MPU6050等iic通信方式的传感器，而是采用了全SPI方式的传感器，因为通过对两种不同通信方式的传感器进行性能比较，可以发现iic总线速度只有400k的波特率，但SPI传感器能达到的数据读取波特率为10M/s，数据读取波特率是前者的几倍甚至几十倍，波特率的大幅度提升，能极大程度上改善四旋翼无人机的飞行状态，飞控性能有了质的飞跃，从而带给使用者更舒服的操作使用手感，节省大量时间，并且使得此飞控系统能负担更复杂的算法，让飞控爱好者能自主开发拓展更多功能，起到事半功倍的效果。3.1.3惯性传感器icm20602在实际运用中，性能优良的惯性传感器主要作用是帮助无人机可以在飞行期间保持前进方向稳定，可以实现用户精确控制，甚至是实现无人机自主飞行。由于外界飞行条件等一些不可控因素发生急剧改变，让无人机飞行系统变得复杂化时，一些性能不稳定的惯性传感器可能会产生误差，反馈得到的每一个微小误差数据，对飞控系统来说，都将成为“灾难现场”的导火索，在飞行方向把控上出现偏差，使得GPS出现位置偏差，严重情况下，将出现无人机在巡线过程中出现撞向输电线路，无法躲避障碍物等对无人机造成损坏的情况发生。本系统飞控采用了型号为icm20602的惯性传感器，如图3-3所示。该惯性传感器的整体性能明显优于之前使用的MPU6050，它自身设计带有3轴陀螺+3轴加速器+恒温系统，这种传感器在改善传感器噪音、零点漂移等方面有着自己的优势，因为惯性传感器的优良程度影响着四旋翼无人机的飞控性能，因此想要提升飞控的性能可以选择性能更优的惯性传感器，并且icm20602型号的惯性传感器自带的恒温系统，同时也能进一步减小陀螺仪、加速度计的温度漂移。图3-3图3-33.1.4气压传感器SPL06在众多构成四旋翼无人机硬件组成部分的元器件中，气压传感器是不可或缺的器件之一。在无人机参与巡线任务中，难免会面临复杂的地形地貌，前往高海拔地区完成对输电线路日常巡检工作的情况也会时有发生，我们知道气压的大小与海拔高度是呈反比例关系的，大气压会因为海拔高度的增加而降低，那么在此条件下，气压传感器的功能在于通过气压高度的变化来呈现飞行高度的变化。本系统中采用了型号为SPL06的高性能气压计，如图3-4所示，这是一种小型化、高精度、低电流消耗的数字气压传感器。这种传感器的优点在于，外界温度的变化不会对其精度产生较大的影响，即使遭受温差大的情况，测量结果也不会有很大的误差出现。与同类型的气压计进行比较，该气压计的气压精度以及灵敏度都更高，无人机飞控的气压定高效果也更好。不仅如此，体积小这一优点，使其在一些移动设备和可穿戴设备等高尖端设备上成为首选材料。图3-4图3-43.1.5磁场传感器AK8975本项目中采用的磁场传感器是AK8975，这是一种带有带有集磁器的硅单片霍尔效应磁传感器，并且在硅芯片上实现了3轴磁力计，采用高灵敏度霍尔传感器技术的三轴电子罗盘IC，如图3-5所示。其模拟电路，数字逻辑，电源块和接口块也集成在一个芯片上。动态测量范围更宽和分辨率更高。具有较低的电流消耗。该器件由片内振荡器工作，忽略外部时钟源。具有自检功能，可以检查最终产品上的磁传感器是否能够正常运行。包含用于检测X轴，Y轴和Z轴地面磁场的磁传感器，通过对X、Y、Z三轴地磁强度的测量，我们可以计算出无人机的磁航角。图3-5图3-53.1.6拓展接口本次飞控系统中运用到的拓展接口如下表所示：8*PWMin8路硬件PWM输入，用于接收无人机接收机信号。8*PWMout8路硬件PWM输出，用于驱动无刷电机或者舵机等设备。5*串口最多可外接5个串口设备，同时，也可通过修改源码，将串口IO初始化成不同功能，比如gpio、adc等，可以拓展更多设备。1*SWD用于下载程序，单步调试。1*USB提供一个USB接口，方便连接飞控进行调试和固件升级。4*拓展IO可任意使用，二次开发。图3-6飞控系统拓展接口实物图图3-6飞控系统拓展接口实物图3.2四旋翼无人机搭载的OpenMV摄像头OpenMV是一个可开源、成本较低、但功能很强大的机器视觉模块，OpenMV上的机器视觉算法包括有色源的寻找、人脸识别、边缘检测等，如图3-7所示。这个模块可以用来实现公共场合安全监测、工厂内部残次品筛选、跟踪固定的标记物等，对于本次我们需要实现的输电线路巡检功能也完全适用。OpenMV摄像头的成像原理是小孔模型，这是一种理想化的相机模型，既然被称为“理想相机模型”，因此并没有考虑一些实际生活中相机可能有的问题，比如相机的场曲、畸变等问题。在实际的输电线路巡检工作中，需要用到摄像头搜集实时图像并通过实时反馈得到的数据，判断出输电线路出现了哪些故障，由专业人员及时提出解决方案保证电力的稳定运行，但由于输电线自身的特殊性，有些输电线路不仅细，还可能带有难以分辨的色块，那么在四旋翼无人机上搭载OpenMV摄像头，可以一下子帮我们解决两个方面的问题。用搭载摄像头拍到的实时图像作为四旋翼无人机导航系统的辅助工具，通过识别到的输电线路位置信息来提高无人机在飞行过程中的定位精度。用搭载摄像头拍到的实时图像来分析判断输电线出现了什么类型的故障，严重程度如何等。图3-7OpenMV实物图图3-7OpenMV实物图3.3飞控连接电脑地面站连接上位机，我们将使用底板上的USB口实现，上位机主界面如图3-8所示。飞控和电脑的连接我们用USB线来实现，四旋翼无人机的飞控程序可以在免安装驱动程序的前提下，将USB端口初始化成HID设备。具体连接操作1.打开匿名地面站2.打开程序设置界面3.选择HID通信方式4.点击HID设备的搜索按钮5.如果连接正常，即可搜索到“匿名拓空者飞控”的设备6.选择此设备，然后点击打开连接即可7.观察地面站主界面的RX计数器，开始增长表示连接成功地面站主要用来接收四旋翼无人机在巡线过程中的飞行速度、飞行高度、航向、经纬度、坐标等飞行姿态数据参数，同时还可用来接收无人机电池电量等信息，地面站通过接收到的实时信息，及时对四旋翼无人机做出飞行计划上的调整，使其在保证自身完整的前提下，安全按时完成巡线任务。图3-8图3-8上位机主界面3.4四旋翼无人机GPS模式介绍本项目中的四旋翼无人机飞控系统支持芯片型号为m80xx的GPS模块，波特率为9600、38400、115200的GPS模块可以使用。在本项目中，我们需要让四旋翼无人机完成对输电线路的巡检任务，那么面对处于复杂地段的输电杆塔，飞控系统的GPS模块可以帮助我们实现精准定位，来获取输电线路及其已存在故障的位置信息。具体的GPS模式介绍如下表所示：飞控断电情况下将GPS模块连接于拓空者飞控的串口1，目前只使用GPS模块的GPS信息，航向信息使用飞控自带的磁罗盘，若您的GPS模块配置有独立的罗盘芯片，相关罗盘导线不接即可。当GPS模块正确连接至飞控后在空旷地，飞机放平上电，等待GPS模块搜星定位上一步骤完成后，飞控灯光闪烁，即提示GPS模块正常工作，接下来就可以进行GPS定点模式起飞。当飞控处于锁定状态下进行GPS模块定位状态的判断，等GPS搜星完成，定位正常后，解锁起飞。3.5本章小结本章用四个小节详细地介绍了四旋翼无人机巡线系统的硬件构成。在第一小节中，分析了四旋翼无人机自身系统硬件构成模块，其中包括四旋翼无人机主控芯片STM32F407、SPI方式的传感器、惯性传感器icm20602、气压传感器SPL06、磁场传感器AK8975以及扩展串口；在第二、三、四小节中分别介绍了无人机搭载的摄像头、通信地面站、导航系统，深入了解每个模块的基本功能和用途。第4章四旋翼无人机飞行控制算法随着对四旋翼无人机及其应用的研究飞速发展，这也让四旋翼无人机在更多的领域得到了广泛的应用，除了提升四旋翼无人机精巧复杂的硬件结构外，对其控制中枢飞行控制算法的进一步优化也是至关重要的。飞行控制算法对四旋翼无人机的意义，就像是人的大脑，思考并做出决定，它掌握着四旋翼无人机下一步该干什么，不该干什么，并选择什么样的方式去实现所需要完成的飞行动作。四旋翼无人机特点1.典型的多输入多输出2.非线性3.强耦合有六个自由度（沿空间直角坐标系X、Y、Z轴3个方向的位移运动和绕3个坐标轴的旋转运动）四个可控输入（四个方向上的电机转速）根据以上表中列出的四旋翼无人机具有的特点，让四旋翼无人机的飞控算法迄今为止还有很多问题尚未得到解决，这也使得四旋翼无人机飞控系统设计依旧处于比较困难的阶段。4.1经典PID控制算法就目前而言，经典PID控制算法在控制方面的运用是较为广泛，较为成熟的一种算法，这种算法对控制领域影响深刻，随着时代的推移，各类算法也不断推陈出新，但在更迭的过程中，经典PID算法凭借着结构简单易实现，鲁棒性强的特点，抗住了时间的考验，仍然在控制领域占有一席之地。在实际的传输过程和反馈过程中，能量和信息会受到外界环境的干扰，这就导致不能完全满足数据传输的及时性，会有一些时间方面的延迟，千万不要小看这一小段的滞后，导致系统响应变差，不稳定的关键之处，往往就是这一小段容易被我们忽视的时间滞后上。因此，为了达到一个系统需要满足的三要素原则快速性、准确性、稳定性，我们通常在实际系统设计中引入比例调节器、积分调节器和微分调节器，从而保证系统的快速性，控制精度以及消除惯性带来的影响，使反馈系统的误差减小经典PID控制原理图如图4-1所示。图4-1经典PID控制原理图由上图可知，PID控制系统产生的系统误差：（4-1）由式4-1得到PID控制器的微分方程为：（4-2）其中，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。取拉普拉斯变换：（4-3）整理后得到PID控制器的传递函数为：（4-4）其中，为积分系数，为微分系数。当采样周期T足够小时，有（4-5）整理后得到：（4-6）其中，为积分系数，为微分系数。4.2模糊PID控制算法4.2.1模糊控制模糊控制（FuzzyControl）全称为模糊逻辑控制（FuzzyLogicControl）,由美国的L.AZadeh首次提出，是一种基于模糊集合论、模糊语言变量、模糊逻辑推理的控制理论。这项从属于智能控制范畴的计算机数学控制技术的诞生，对后世研究不明确系统的控制有极大的贡献。从其理论的诞生发展至今，模糊控制的实际应用已经渗透到方方面面，与国民的生产生活息息相关，这样的长足进步让模糊控制成为自动控制领域中冉冉之星。模糊控制的具体实际应用如下表所示：家用电器设备洗衣机、微波炉、吸尘器、照相机工业控制方面水泥窑炉、水净化过程、反应釜温度控制专用系统领域蒸汽引擎、电梯、地铁靠站停车、机器人模糊控制系统一般由模糊化、知识库、模糊推理、解模糊这四个部分组成。模糊控制的核心是模糊规则，改善一个模糊控制性能最有效的办法是优化模糊规则。模糊控制原理图如图4-2所示。图4-2模糊控制原理图4.2.2模糊PID控制为了让四旋翼无人机的控制精度达到更高的要求，一般情况下，我们将采用模糊控制算法结合经典PID控制算法，叠加两种算法的控制效果，并将其称为模糊PID控制（Fuzzy-PID复合控制）。在原有经典PID控制的基础上，用知识库对模糊化后的输入量进行模糊推理，再通过模糊矩阵规则表进行无人机飞行姿态参数调整，从而能实现对PID参数自整定的目的。当外界环境条件对四旋翼无人机的飞行姿态产生较大干扰，即系统中存在较大偏差时，模糊控制发挥作用，响应速度快，动态性能好；当外界环境条件对四旋翼无人机的飞行姿态干扰不大，即偏差较小时，经典PID控制起主要控制作用，不仅实现了静态性能好，还满足飞控系统所需的控制精度。模糊PID控制是一种对单个模糊控制和单个经典PID控制实现互补的过程。模糊PID控制结构图如图4-3所示。图4-3模糊PID控制器结构图根据对四旋翼无人机飞行姿态控制的分析，该模糊控制器的输入选定为误差e及其误差变化ec，而模糊控制输出则选为KP、KI、KD。这样，四旋翼无人机模糊PID控制器就被确定为一个双输入三输出的控制器。使用MATLAB模糊推理系统编辑器设计仿真四旋翼无人机模糊控制器。建立模糊PID输入输出集构建的模糊PID输入输出集如图4-4所示。图4-4模糊PID输入输出集建立各个模糊变量的隶属关系。定义各个变量的论域和每支隶属函数的范围如图4-5、4-6、4-7、4-8、4-9所示。图4-5输入e的隶属度函数设定图4-6输入ec的隶属度函数设定图4-7输出kp的隶属度函数设定图4-8输出ki的隶属度函数设定图4-9输出kd的隶属度函数设定创建模糊控制规则表根据查阅资料和文献，建立出的四旋翼无人机模糊控制器输出变量Kp，Ki，Kd的模糊规则表，如表4-1、4-2、4-3所示。表4-1Kp对应的模糊规则表表4-2Ki对应的模糊规则表表4-3Kd对应的模糊规则表按照以上表中的模糊规则，将规则用“if”、“then”的格式，一条一条依次输入到MATLAB模糊控制器中，进行逻辑关系的转换，如图4-10所示。通过调用曲面观察器，所设计的模糊系统如图4-11所示。图4-10模糊推理规则图图4-11Kp、Ki、Kd模糊控制曲面图模糊PID控制器仿真用MATLAB软件的Simulink模块搭建模糊PID控制器进行仿真，并分析实验仿真结果。在仿真过程中，选取四旋翼无人机的传递函数为，建立模糊PID控制器仿真图，如图4-12所示。图4-12模糊PID控制器仿真图由上图搭建的simulink仿真模块可以看出，通过查阅文献设置好相关参数：Kp=2，Ki=5，Kd=0.5，最终，我们可以仿真得到经典PID算法和模糊控制PID算法输出的两种响应曲线，如图4-13所示。图4-13两种响应曲线比较分析上图，可以看出模糊控制PID算法得到的曲线上升时间快，超调量小，具有较强的抗干扰性和鲁棒性，比经典的PID控制有更好的动态响应，既结合了经典PID算法的优点，在此基础上，还对一些性能不好的方面有了很大的改善和提升。总而言之，模糊PID控制算法优于经典PID算法。4.3本章小结本章的主要目的系统分析经典PID控制算法和模糊控制PID算法，并利用仿真得到的图像清晰的比较两种算法的优劣性。首先对两种算法分别进行了理论知识的分析，其次使用MATLAB搭建simulink仿真模块得到两种算法的响应曲线，分析图像，最终得到模糊控制PID算法优于经典PID控制算法的结论。第5章结论与展望四旋翼无人机对输电线路进行巡检是一项非常有前景的新技术，不管是对其硬件方面的改造提升，还是软件算法方面的优化，这项技术都极大程度上解决了我国互联大电网巡检任务中的困难，在确保电网安全性和可靠性的前提下，也降低了由巡线任务给电力人员带来的健康风险。本文围绕四旋翼飞行器的控制进行分析和研究。本文的主要