四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)研究.pdf

1、四旋翼無人飛行器具有垂直起降、定點懸停、機動靈活、帶載能力強等獨特優(yōu)勢，在軍民領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價值。四旋翼無人飛行器是一個非線性、欠驅(qū)動、耦合性強的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計一直是研究的難點和熱點。本文研究對象為火災(zāi)救援四旋翼飛行器，圍繞其姿態(tài)估計、飛行控制進行了深入研究，針對火災(zāi)救援的實際應(yīng)用需求，開展了四旋翼飛行器的設(shè)計與實現(xiàn)研究。
　　首先根據(jù)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點和飛行原理，將飛行器六個自由度方向上的運動分為線運動

2、和角運動。通過運動分析建立了飛行器系統(tǒng)動力學(xué)模型，并對飛行器的非線性、欠驅(qū)動、耦合特性進行了具體分析。
　　四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)由姿態(tài)測量系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)組成。姿態(tài)測量系統(tǒng)實時采集傳感器數(shù)據(jù)準確估算飛行器的姿態(tài)信息。飛行控制系統(tǒng)以控制指令和姿態(tài)反饋作為輸入，通過姿態(tài)控制算法計算出各電機的控制量并發(fā)送到電機驅(qū)動系統(tǒng)，帶動旋翼轉(zhuǎn)動實現(xiàn)飛行的姿態(tài)調(diào)整。
　　然后，根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計方案，搭建了以MEMS傳感器、高性能STM32處

3、理器為核心的硬件系統(tǒng)，包括姿態(tài)采集、飛行控制、無線通信、避障等功能模塊，編寫了各個模塊的驅(qū)動程序，進行大量實驗及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，最終實現(xiàn)了各功能模塊穩(wěn)定可靠運行，為姿態(tài)解算、數(shù)據(jù)融合、控制算法提供了基礎(chǔ)。
　　在姿態(tài)估計中，通過對姿態(tài)測量傳感器模型誤差的分析，擬合得到誤差補償方程，利用四元數(shù)法對校準后的數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算，然后設(shè)計了多傳感器數(shù)據(jù)融合的卡爾曼濾波算法，對飛行器的姿態(tài)進行最優(yōu)估計。在飛行控制中，基于四旋翼飛行器簡化模型設(shè)計