四旋翼無人機自主控制系統(tǒng)設計.pdf

1、四旋翼無人機是一種電動的、能夠垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遙控自主飛行器。四旋翼飛行器具有交叉對稱的框架結構,在框架的四個端點上分別固定相同型號的無刷直流電機與螺旋槳,通過控制四個電機的轉速來實現(xiàn)飛行器的不同飛行姿態(tài),四旋翼飛行器具有非線性、強耦合、欠驅動和多輸入多輸出等復雜特性。由于其具有垂直起降、懸停、前飛、倒飛和側飛等飛行姿態(tài)特點,四旋翼無人機的應用前景越來越豐富,成為近年來國內外的研究熱點。
　　本文以四旋翼飛行器為研

2、究對象,主要設計四旋翼飛行器的自主控制系統(tǒng),并根據(jù)此控制系統(tǒng)設計搭建了飛行器的仿真模型,最終完成飛行試驗。首先,根據(jù)四旋翼飛行器的飛行原理及對飛行器的動力學分析,根據(jù)牛頓第二運動定律和力矩平衡原理,對機體進行機理建模,建立了機體的非線性動力學模型,根據(jù) LPV法對機體的非線性模型進行線性化得到易于仿真控制的線性動力學模型。并根據(jù)參閱相關資料分析總結了四旋翼飛行器的姿態(tài)解算算法。其次,根據(jù)對四旋翼飛行器建立的動力學模型,在Matlab/S

3、imulink中搭建系統(tǒng)的仿真模型,對高度、俯仰角、橫滾角、偏航角四個通道獨立設計PID控制器,通過PID控制算法實現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制,通過仿真驗證了PID控制算法的有效性。第三,設計了飛行器控制系統(tǒng)的硬件架構。充分考慮了四旋翼飛行器的特性及負載能力,本文選擇以鋁合金十字架為機體結構框架,以無刷直流電機作為驅動動力部分,以 STM32為控制器,以MEMS陀螺儀加速度計和磁阻傳感器為檢測模塊,搭建了四旋翼飛行器的研究平臺。第四,對四旋翼飛行