小型四旋翼飛行器平臺設計與控制方法研究.pdf

1、四旋翼飛行器是一種多旋翼飛行器，它具有體積小，成本低，起降過程占用空間少，在障礙物分布密集、復雜的空間仍能保持較優(yōu)秀的飛行性能等優(yōu)點，在民用、軍事、科研等領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應用。隨著人們對四旋翼飛行器的關(guān)注，四旋翼飛行器的數(shù)學模型的建立，軟硬件平臺的搭建，姿態(tài)測量方法和控制方法的研究也越來越受到人們的重視。
　　首先，本文基于牛頓第二定律和剛體轉(zhuǎn)動定律建立了四旋翼飛行器的數(shù)學模型。四旋翼飛行器的數(shù)學模型包括運動學模型和動力學

2、模型，分為角度姿態(tài)和線性位置兩個方面。飛行器線性位置的概念很容易理解，本文重點介紹了飛行器角度姿態(tài)的描述方法，包括四元數(shù)法，歐拉角法等，然后對四旋翼飛行器在飛行過程中所受到的力/力矩進行了分析，并結(jié)合飛行器飛行原理的分析，選取了適當?shù)奈锢砹孔鳛榭刂戚斎肓?，基于牛頓第二定律和剛體轉(zhuǎn)動定律建立起了四旋翼飛行器在姿態(tài)和位置兩方面的運動學和動力學模型。
　　其次，本文選用高性能的STM32處理器及MEMS傳感器搭建了四旋翼飛行器的飛行平臺

3、。本文中設計的四旋翼飛行器飛行平臺包括機架、電機、旋翼、飛控板、地面站等部件分。其中，飛控板作為飛行平臺的核心，是本文重點設計的部分，包括處理器的選型，最小系統(tǒng)的電路設計，MEMS傳感器的選型及數(shù)據(jù)讀取以及所需要的其他外設的選擇及電路設計。
　　然后，本文在對傳感器數(shù)據(jù)進行校正，前置低通濾波處理之后，使用了姿態(tài)插值、梯度下降、互補濾波三種方法對飛行器的姿態(tài)信息進行了測量。本文介紹了加速度計、陀螺儀、電子羅盤測量姿態(tài)信息的工作原理，

4、以及它們在測量姿態(tài)方面各自存在的缺點不足。綜合考慮各個傳感器的特點使用了姿態(tài)插值、梯度下降、互補濾波三種方法對傳感器提供的數(shù)據(jù)進行處理，得到了比較精確的飛行器姿態(tài)信息。
　　最后，本文設計了基于狀態(tài)觀測器的自適應滑?？刂扑惴▉砜刂扑男盹w行器的姿態(tài)，使姿態(tài)控制系統(tǒng)有更好的響應速度、控制精度和魯棒性。本文將飛行器的控制分為了內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制兩個部分，其中內(nèi)環(huán)控制為姿態(tài)控制，外環(huán)控制為位置控制，重點為飛行器姿態(tài)控制方面設計了滑?？刂?/p>