四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其姿態(tài)解算和控制算法研究.pdf

1、四軸飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎，飛行方式獨(dú)特，性能卓越的可垂直升降多旋翼飛行器，在近幾年軍用和民用無人機(jī)領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。關(guān)于四軸飛行器的各方面研究工作也在近幾年不斷進(jìn)行全面、深入的開展，本文從四軸飛行器基本原理到系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再到姿態(tài)解算和控制進(jìn)行了具體研究。
　　首先，本文介紹了四軸飛行器研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，并對四軸飛行器基本原理、飛行姿態(tài)的歐拉角和四元數(shù)姿態(tài)表示以及數(shù)學(xué)模型及其辨識方法進(jìn)行了研究。根據(jù)四軸飛行器系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)

2、了系統(tǒng)硬件電路原理圖和 PCB，并完成焊接、安裝和調(diào)試，搭建了四軸飛行器硬件平臺(tái)。
　　其次，在MDK開發(fā)環(huán)境中，成功將uCOS-III操作系統(tǒng)移植到STM32主控芯片，并對各系統(tǒng)子任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，對 NRF24L01無線模塊的雙向通信以及系統(tǒng)內(nèi)部串口通信任務(wù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，開發(fā)了穩(wěn)定的軟件調(diào)試平臺(tái)。在此基礎(chǔ)之上，著重對 MPU6050陀螺儀和加速度計(jì)信號噪聲進(jìn)行了研究和分析，運(yùn)用MATLAB輔助設(shè)計(jì)了IIR低通濾波器有效濾除

3、電機(jī)震動(dòng)噪聲。對互補(bǔ)濾波法、卡爾曼濾波法和四元數(shù)法姿態(tài)解算進(jìn)行了研究和比較，最終采用MPU6050內(nèi)部DMP解算作為本系統(tǒng)姿態(tài)解算主要方法。
　　最后，對四軸飛行器實(shí)物進(jìn)行了最小二乘法系統(tǒng)辨識實(shí)驗(yàn)，成功辨識了四軸飛行器姿態(tài)控制實(shí)際數(shù)學(xué)模型。針對該數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了 PID姿態(tài)控制器，對系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制效果進(jìn)行了理論分析與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的交互研究。最終取得了良好的姿態(tài)控制效果，同時(shí)對本文的研究不足和缺點(diǎn)進(jìn)行了反思和總結(jié)，提出了進(jìn)一步研究工作的