四旋翼無(wú)人機(jī)自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、四旋翼無(wú)人機(jī)是一種電動(dòng)的、能夠垂直起降(VTOL)的、多旋翼式遙控自主飛行器。四旋翼飛行器具有交叉對(duì)稱的框架結(jié)構(gòu),在框架的四個(gè)端點(diǎn)上分別固定相同型號(hào)的無(wú)刷直流電機(jī)與螺旋槳,通過(guò)控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的不同飛行姿態(tài),四旋翼飛行器具有非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)和多輸入多輸出等復(fù)雜特性。由于其具有垂直起降、懸停、前飛、倒飛和側(cè)飛等飛行姿態(tài)特點(diǎn),四旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用前景越來(lái)越豐富,成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
　　本文以四旋翼飛行器為研

2、究對(duì)象,主要設(shè)計(jì)四旋翼飛行器的自主控制系統(tǒng),并根據(jù)此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建了飛行器的仿真模型,最終完成飛行試驗(yàn)。首先,根據(jù)四旋翼飛行器的飛行原理及對(duì)飛行器的動(dòng)力學(xué)分析,根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律和力矩平衡原理,對(duì)機(jī)體進(jìn)行機(jī)理建模,建立了機(jī)體的非線性動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù) LPV法對(duì)機(jī)體的非線性模型進(jìn)行線性化得到易于仿真控制的線性動(dòng)力學(xué)模型。并根據(jù)參閱相關(guān)資料分析總結(jié)了四旋翼飛行器的姿態(tài)解算算法。其次,根據(jù)對(duì)四旋翼飛行器建立的動(dòng)力學(xué)模型,在Matlab/S

3、imulink中搭建系統(tǒng)的仿真模型,對(duì)高度、俯仰角、橫滾角、偏航角四個(gè)通道獨(dú)立設(shè)計(jì)PID控制器,通過(guò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的穩(wěn)定控制,通過(guò)仿真驗(yàn)證了PID控制算法的有效性。第三,設(shè)計(jì)了飛行器控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)。充分考慮了四旋翼飛行器的特性及負(fù)載能力,本文選擇以鋁合金十字架為機(jī)體結(jié)構(gòu)框架,以無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力部分,以 STM32為控制器,以MEMS陀螺儀加速度計(jì)和磁阻傳感器為檢測(cè)模塊,搭建了四旋翼飛行器的研究平臺(tái)。第四,對(duì)四旋翼飛行