四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、四旋翼飛行器是一種由四組電機(jī)旋翼聯(lián)合驅(qū)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)垂直起降、橫滾、俯仰等一系列空中動(dòng)作的無人飛行器，其主要的特點(diǎn)有機(jī)動(dòng)性與操控性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎、制造成本低、易于實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停等，具有廣泛的應(yīng)用前景。在軍事戰(zhàn)場(chǎng)上，特別是近地環(huán)境，可以用于執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵查與監(jiān)視，其優(yōu)良的隱蔽性與機(jī)動(dòng)性可執(zhí)行某些士兵無法完成的任務(wù)，甚至可配備電子干擾器或者小型武器，對(duì)敵方目標(biāo)發(fā)起直接攻擊。在民用方面，可將其應(yīng)用到森林、山地、海洋等地形復(fù)雜的環(huán)境中執(zhí)行搜索、救援等任

2、務(wù)。在工業(yè)方面，可利用其對(duì)道路橋梁、輸油管道、電力輸送設(shè)備等進(jìn)行安全巡檢，不僅能夠降低成本，而且能夠提高巡檢效率。因此，四旋翼飛行器的開發(fā)與應(yīng)用獲得了眾多科研人員的關(guān)注。
　　本文設(shè)計(jì)了一套四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)，完成了樣機(jī)的搭建。依據(jù)飛行器的飛行原理，分別完成了PID控制器與無模型控制器的設(shè)計(jì)。通過懸停飛行實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種控制器在姿態(tài)控制的穩(wěn)定性以及抗擾動(dòng)性方面進(jìn)行了研究。本文主要包括以下內(nèi)容:
　　1、針對(duì)任務(wù)要求與性能需求

3、，提出了一種四旋翼飛行器飛行控制系統(tǒng)的硬件總體方案。綜合考慮性能、功耗、價(jià)格等因素選取合適的電子器材，以STM32為主控制器，配合陀螺儀傳感器、加速度傳感器、高度計(jì)等來設(shè)計(jì)姿態(tài)控制系統(tǒng)，選取直流無刷電機(jī)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)了相關(guān)的硬件電路圖，并完成四旋翼飛行器樣機(jī)的制作。
　　2、四旋翼飛行器控制算法的研究是本文的重點(diǎn)內(nèi)容，本文首先介紹了基于動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化模型的PID控制器，該控制器是具有姿態(tài)控制回路與位置控制回路的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。然后，根據(jù)