小型四旋翼飛行器平臺(tái)設(shè)計(jì)與控制方法研究.pdf

1、四旋翼飛行器是一種多旋翼飛行器，它具有體積小，成本低，起降過(guò)程占用空間少，在障礙物分布密集、復(fù)雜的空間仍能保持較優(yōu)秀的飛行性能等優(yōu)點(diǎn)，在民用、軍事、科研等領(lǐng)域都得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。隨著人們對(duì)四旋翼飛行器的關(guān)注，四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型的建立，軟硬件平臺(tái)的搭建，姿態(tài)測(cè)量方法和控制方法的研究也越來(lái)越受到人們的重視。
　　首先，本文基于牛頓第二定律和剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律建立了四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型。四旋翼飛行器的數(shù)學(xué)模型包括運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)

2、模型，分為角度姿態(tài)和線性位置兩個(gè)方面。飛行器線性位置的概念很容易理解，本文重點(diǎn)介紹了飛行器角度姿態(tài)的描述方法，包括四元數(shù)法，歐拉角法等，然后對(duì)四旋翼飛行器在飛行過(guò)程中所受到的力/力矩進(jìn)行了分析，并結(jié)合飛行器飛行原理的分析，選取了適當(dāng)?shù)奈锢砹孔鳛榭刂戚斎肓?，基于牛頓第二定律和剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律建立起了四旋翼飛行器在姿態(tài)和位置兩方面的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。
　　其次，本文選用高性能的STM32處理器及MEMS傳感器搭建了四旋翼飛行器的飛行平臺(tái)

3、。本文中設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器飛行平臺(tái)包括機(jī)架、電機(jī)、旋翼、飛控板、地面站等部件分。其中，飛控板作為飛行平臺(tái)的核心，是本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)的部分，包括處理器的選型，最小系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，MEMS傳感器的選型及數(shù)據(jù)讀取以及所需要的其他外設(shè)的選擇及電路設(shè)計(jì)。
　　然后，本文在對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，前置低通濾波處理之后，使用了姿態(tài)插值、梯度下降、互補(bǔ)濾波三種方法對(duì)飛行器的姿態(tài)信息進(jìn)行了測(cè)量。本文介紹了加速度計(jì)、陀螺儀、電子羅盤測(cè)量姿態(tài)信息的工作原理，

4、以及它們?cè)跍y(cè)量姿態(tài)方面各自存在的缺點(diǎn)不足。綜合考慮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)使用了姿態(tài)插值、梯度下降、互補(bǔ)濾波三種方法對(duì)傳感器提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了比較精確的飛行器姿態(tài)信息。
　　最后，本文設(shè)計(jì)了基于狀態(tài)觀測(cè)器的自適應(yīng)滑?？刂扑惴▉?lái)控制四旋翼飛行器的姿態(tài)，使姿態(tài)控制系統(tǒng)有更好的響應(yīng)速度、控制精度和魯棒性。本文將飛行器的控制分為了內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制兩個(gè)部分，其中內(nèi)環(huán)控制為姿態(tài)控制，外環(huán)控制為位置控制，重點(diǎn)為飛行器姿態(tài)控制方面設(shè)計(jì)了滑模控制