四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、四旋翼無人飛行器具有垂直起降、定點(diǎn)懸停、機(jī)動靈活、帶載能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢，在軍民領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。四旋翼無人飛行器是一個(gè)非線性、欠驅(qū)動、耦合性強(qiáng)的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文研究對象為火災(zāi)救援四旋翼飛行器，圍繞其姿態(tài)估計(jì)、飛行控制進(jìn)行了深入研究，針對火災(zāi)救援的實(shí)際應(yīng)用需求，開展了四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。
　　首先根據(jù)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和飛行原理，將飛行器六個(gè)自由度方向上的運(yùn)動分為線運(yùn)動

2、和角運(yùn)動。通過運(yùn)動分析建立了飛行器系統(tǒng)動力學(xué)模型，并對飛行器的非線性、欠驅(qū)動、耦合特性進(jìn)行了具體分析。
　　四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)由姿態(tài)測量系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)組成。姿態(tài)測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估算飛行器的姿態(tài)信息。飛行控制系統(tǒng)以控制指令和姿態(tài)反饋?zhàn)鳛檩斎?，通過姿態(tài)控制算法計(jì)算出各電機(jī)的控制量并發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，帶動旋翼轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)飛行的姿態(tài)調(diào)整。
　　然后，根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，搭建了以MEMS傳感器、高性能STM32處

3、理器為核心的硬件系統(tǒng)，包括姿態(tài)采集、飛行控制、無線通信、避障等功能模塊，編寫了各個(gè)模塊的驅(qū)動程序，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試，最終實(shí)現(xiàn)了各功能模塊穩(wěn)定可靠運(yùn)行，為姿態(tài)解算、數(shù)據(jù)融合、控制算法提供了基礎(chǔ)。
　　在姿態(tài)估計(jì)中，通過對姿態(tài)測量傳感器模型誤差的分析，擬合得到誤差補(bǔ)償方程，利用四元數(shù)法對校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，然后設(shè)計(jì)了多傳感器數(shù)據(jù)融合的卡爾曼濾波算法，對飛行器的姿態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在飛行控制中，基于四旋翼飛行器簡化模型設(shè)計(jì)