四軸飛行器的設(shè)計與算法研究.pdf

1、無人飛行器（UAV）可用于民用事業(yè)、滿足國防需求，也可以開發(fā)和利用航空資源。國內(nèi)外對飛行器都進(jìn)行了大量的研究。一般對飛行器的研究主要分為三個類型：固定翼機(jī)、旋翼機(jī)和撲翼機(jī)。無人飛行器自主飛行的技術(shù)多年來一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求，例如軍事（偵察目標(biāo)捕獲與營救任務(wù)等），科學(xué)數(shù)據(jù)采集（地質(zhì)、林業(yè)勘探、農(nóng)業(yè)病蟲害防治等），視頻監(jiān)控（航拍FPV、影視制作等）等。利用無人飛行器來完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員

2、安全保障。
　　四軸飛行器作為多旋翼飛行器的一種，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，不受機(jī)翼大小的限制，飛行器姿態(tài)保持能力較高，可以實(shí)現(xiàn)多種飛行姿態(tài)，如懸停、俯仰、橫滾、升降、偏航轉(zhuǎn)向等狀態(tài)。
　　四軸飛行器在結(jié)構(gòu)上較單翼直升機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、能產(chǎn)生更大的升力，同時可以通過反扭矩作用使飛行器平衡，不需要專門的反扭矩旋翼，懸停性能更加良好，易于控制，對于操作者的要求不高等特點(diǎn)，這對于廣泛的應(yīng)用推廣具有重要的意義，在民用和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景

3、，因此對于四軸飛行器的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　四軸飛行器系統(tǒng)高度自動化是建立在姿態(tài)估計和PID控制的基礎(chǔ)上。姿態(tài)估計所需數(shù)據(jù)來源于陀螺儀、加速度計和磁強(qiáng)計等傳感器。為了減少傳感器采集中的誤差，需要對測量值加權(quán)平均和線性濾波，即對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。線性卡爾曼濾波是公認(rèn)的用于估計系統(tǒng)狀態(tài)變量和減少噪聲最有效的狀態(tài)估計技術(shù)。實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器主要有兩種方法：全狀態(tài)空間法（直接法）和誤差狀態(tài)空間方程（間接法）。在卡爾曼濾波的直接法

4、中，狀態(tài)向量是通過狀態(tài)估計和測量值進(jìn)行計算的，這種卡爾曼濾波方法來源于系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)。這種方法的最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)概念清晰和簡單。在卡爾曼濾波的間接法中，狀態(tài)向量是估計狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)估計狀態(tài)之間的誤差，為了估計測量誤差，系統(tǒng)的每個部分都要建立誤差模型。PID控制器是一種對系統(tǒng)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制器，由比例、積分和微分控制三部分組成?？梢苑譃镻控制、PI控制、PD控制和PID控制幾種控制方法，其區(qū)別是控制所需參數(shù)的個數(shù)不同，計算量也不一樣。在嵌入式應(yīng)

5、用中，處理器的計算能力有限。綜合考慮后，選擇PI控制更適合四軸飛行器的姿態(tài)控制。
　　本文通過設(shè)計一個微型四軸飛行器，用以驗(yàn)證控制算法的可行性和姿態(tài)估計的有效性。在建立的飛行器動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于經(jīng)典PID和姿態(tài)估計算法的四旋翼飛行器自動控制系統(tǒng)。通過采集姿態(tài)傳感器的測量數(shù)據(jù)，對已濾波后的加速度值和角速度值進(jìn)行二次濾波融合，提高了加權(quán)濾波算法的性能。通過實(shí)際計算的數(shù)據(jù)給出PID控制算法的PID控制、PI控制和P控制的性能