四軸飛行器控制系統(tǒng)設計及其姿態(tài)解算和控制算法研究.pdf

1、四軸飛行器是一種結構新穎，飛行方式獨特，性能卓越的可垂直升降多旋翼飛行器，在近幾年軍用和民用無人機領域占據(jù)著越來越重要的地位。關于四軸飛行器的各方面研究工作也在近幾年不斷進行全面、深入的開展，本文從四軸飛行器基本原理到系統(tǒng)設計，再到姿態(tài)解算和控制進行了具體研究。
　　首先，本文介紹了四軸飛行器研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景，并對四軸飛行器基本原理、飛行姿態(tài)的歐拉角和四元數(shù)姿態(tài)表示以及數(shù)學模型及其辨識方法進行了研究。根據(jù)四軸飛行器系統(tǒng)功能，設計

2、了系統(tǒng)硬件電路原理圖和 PCB，并完成焊接、安裝和調(diào)試，搭建了四軸飛行器硬件平臺。
　　其次，在MDK開發(fā)環(huán)境中，成功將uCOS-III操作系統(tǒng)移植到STM32主控芯片，并對各系統(tǒng)子任務進行設計。其中，對 NRF24L01無線模塊的雙向通信以及系統(tǒng)內(nèi)部串口通信任務進行了詳細設計，開發(fā)了穩(wěn)定的軟件調(diào)試平臺。在此基礎之上，著重對 MPU6050陀螺儀和加速度計信號噪聲進行了研究和分析，運用MATLAB輔助設計了IIR低通濾波器有效濾除

3、電機震動噪聲。對互補濾波法、卡爾曼濾波法和四元數(shù)法姿態(tài)解算進行了研究和比較，最終采用MPU6050內(nèi)部DMP解算作為本系統(tǒng)姿態(tài)解算主要方法。
　　最后，對四軸飛行器實物進行了最小二乘法系統(tǒng)辨識實驗，成功辨識了四軸飛行器姿態(tài)控制實際數(shù)學模型。針對該數(shù)學模型設計了 PID姿態(tài)控制器，對系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制效果進行了理論分析與實際實驗的交互研究。最終取得了良好的姿態(tài)控制效果，同時對本文的研究不足和缺點進行了反思和總結，提出了進一步研究工作的