四旋翼飛行器飛控板設(shè)計(jì)及魯棒控制在姿態(tài)控制律中的應(yīng)用.pdf

1、四旋翼飛行器是一種由對(duì)稱分布式的四個(gè)旋翼組成的一種飛行器，由于其具有垂直起降、懸停、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這使得四旋翼飛行器成為至2005年開始的近十年時(shí)間以來(lái)，發(fā)展最快速的一種飛行器。四旋翼有四個(gè)控制輸入，六個(gè)控制輸出（狀態(tài)），因此四旋翼是欠驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)還具有高度耦合、比較復(fù)雜的特點(diǎn)，因此系統(tǒng)的建模和對(duì)模型處理以及控制器設(shè)計(jì)上是難點(diǎn)。
　　本文在研究了國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀之后，發(fā)現(xiàn)四旋翼的核心是控制器，一個(gè)沒有控制器的四旋翼是無(wú)法操控

2、的，因此設(shè)計(jì)四旋翼控制器是本文的重點(diǎn)。本文以一個(gè)小型四旋翼飛行為對(duì)象，對(duì)四旋翼的控制器設(shè)計(jì)做了研究，本文首先將飛控需要完成的任務(wù)進(jìn)行劃分，根據(jù)劃分的任務(wù)選定了ARM內(nèi)核的STM32F103的MCU（微型控制處理器）。選擇MPU6050傳感器采集XYZ三軸的加速度和角加速度，氣壓計(jì)5883L采集飛行器高度信息。根據(jù)各個(gè)IC器件的Datasheet，不難畫出飛控的原理圖，由于飛控實(shí)現(xiàn)的功能不是很復(fù)雜，PCB走線較簡(jiǎn)單，考慮成本原因，飛控PC

3、B板采用兩層板結(jié)構(gòu)。
　　對(duì)于控制器的設(shè)計(jì)，大部分都是基于精確數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的，本文首要的工作是建立四旋翼的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)牛頓—?dú)W拉定理在慣性坐標(biāo)系（大地坐標(biāo)系）下，建立了力的微分方程和力矩的微分方程，并將其轉(zhuǎn)換到機(jī)體坐標(biāo)系中，因?yàn)閭鞲衅鳒y(cè)量的歐拉角是在機(jī)體坐標(biāo)系下表述，至此得到了在機(jī)體坐標(biāo)系下的微分方程。對(duì)于坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換采用的矩陣表示的方法，因?yàn)閷?duì)于任何兩個(gè)不同的坐標(biāo)系，分別轉(zhuǎn)動(dòng)三個(gè)角度，便可以將一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系上，將

4、大地坐標(biāo)系向機(jī)體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的矩陣按照偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)的變換順序求出變換矩陣，這樣可以避免在表示滾轉(zhuǎn)角的時(shí)候出現(xiàn)奇異點(diǎn)。在該方程中含有三角函數(shù)和二次項(xiàng)等非線性表達(dá)式，采用小擾動(dòng)理論近似的將微分方程展開，舍去高階無(wú)窮下量，得到一階線性微分方程。在平衡點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)又可分為橫向和縱向運(yùn)動(dòng)，于是微分方程分為橫向運(yùn)動(dòng)微分方程和縱向運(yùn)動(dòng)微分方程。
　　因?yàn)樵趯?shí)際環(huán)境中存在不確定性因素，另外在建模的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生誤差，在這種情況下設(shè)計(jì)的控制器在對(duì)理