四旋翼無人機自主控制系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu),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(zhuǎn)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(qū)動和多輸入多輸出等復(fù)雜特性。由于其具有垂直起降、懸停、前飛、倒飛和側(cè)飛等飛行姿態(tài)特點,四旋翼無人機的應(yīng)用前景越來越豐富,成為近年來國內(nèi)外的研究熱點。
　　本文以四旋翼飛行器為研

2、究對象,主要設(shè)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(shè)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(xué)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(xué)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(xué)模型。并根據(jù)參閱相關(guān)資料分析總結(jié)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(xué)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(shè)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(shè)計了飛行器控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。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(jié)構(gòu)框架,以無刷直流電機作為驅(qū)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