小型四旋翼無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)及飛行控制系統(tǒng)研究.pdf

1、小型四旋翼無(wú)人機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，具有垂直起降、空中懸停和快速航姿變換等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐領(lǐng)域，具有重要的研究?jī)r(jià)值。針對(duì)小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)測(cè)量易受干擾，姿態(tài)解算和姿態(tài)控制輸出誤差大等問(wèn)題，以飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種基于STM32微處理器的X型四旋翼無(wú)人機(jī)。采用以雙處理器、雙陀螺儀和雙加速度計(jì)為主的硬件架構(gòu)，實(shí)時(shí)采集無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)信息，并結(jié)合基于四元數(shù)的互補(bǔ)濾波算法和串級(jí)PID控制算法對(duì)姿態(tài)信息分別進(jìn)行解算

2、和控制輸出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的X型四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)測(cè)量精度高，飛行性能較好，達(dá)到飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制的目的。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴建立了小型四旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的六自由度非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型。定義了無(wú)人機(jī)的地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系，并在該坐標(biāo)系下采用牛頓-歐拉法建立動(dòng)力學(xué)方程，采用幾何學(xué)方法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。在增加約束的條件下得到了簡(jiǎn)化的系統(tǒng)非線(xiàn)性數(shù)學(xué)模型。⑵設(shè)計(jì)并搭建了基于STM32微處理器的X型四旋翼無(wú)人機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采

3、用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主控制器、傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、遙控模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊。其中，雙處理器、雙陀螺儀和雙加速度計(jì)是核心。⑶設(shè)計(jì)了小型四旋翼無(wú)人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。它的核心為姿態(tài)解算和姿態(tài)控制算法兩部分。姿態(tài)解算采用四元數(shù)互補(bǔ)濾波算法融合陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)，輸出姿態(tài)歐拉角。姿態(tài)控制算法采用串級(jí)PID控制姿態(tài)，采用單環(huán)PID控制位置，從而實(shí)現(xiàn)姿態(tài)與位置的解耦。⑷實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的小型四旋翼無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的可行性和