四旋翼无人机飞行控制系统研究与设计

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作者：

吴晓飞

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摘要：

四旋翼无人机是一种构造新奇、紧凑、具有良好机动性能的无人飞行器。与一般固定翼无人机比较,它具有灵活性强、构造简易、可垂直起降、稳定性好等优点,在军事、民用以及高校科研教育方面都有着广泛应用。四旋翼无人机是一种只具有六自由度、四输入的欠驱动飞行系统,并且存在非线性、强耦合、多变量的动力学特征,设计稳定的硬件系统与控制算法是保证四旋翼无人机良好飞行性能的重中之重。本文以四旋翼飞行器为研究控制对象,对四旋翼无人机飞行实验平台方案、非线性系统建模、多传感器数据融合和飞行控制算法设计等进行研究。论文的主要研究内容包括:第一,整体概括描述了国内外四旋翼无人机发展现状、应用场景、关键技术及发展前景,对四旋翼无人机导航控制算法的研究现状进行全面的介绍。其次,针对四旋翼无人机的基本构造,对其稳定飞行原理进行阐述,同时建立了描述四旋翼无人机飞行的机体坐标和导航坐标系,并给出两坐标系的变换矩阵。在一系列合理假设的基础上,根据经典力学原理,建立了四旋翼无人机的非线性动力学方程,并根据实际参数,对模型中的关键参数进行了测量。第二,设计整个四旋翼无人机试验平台。整个四旋翼无人机系统由航姿参考系统和飞行控制系统两个部分组成。航姿参考系统主要实现实时数据采集并完成无人机的三轴姿态解算,为飞行控制系统提供姿态等反馈信息。该系统提供的无人机姿态信息精度直接影响飞行器的飞行效果。飞行控制系统接收来自地面站的指令和航姿参考系统的反馈信息,通过运行飞行控制算法解算出各个电机的控制量,并将其转换为PWM信号来驱动电机,实现无人机的飞行控制。第三,根据硬件方案设计进行器件选型,对参考系统电路板和控制电路板进行设计与制作,并开展大量的软硬件调实验。完成硬件设计和试验后,考虑算法的可移植性,按标准编写相应底层驱动、功能模块和系统应用程序。第四,在航姿参考系统中,综合MEMS加速度计、MEMS陀螺仪和磁力计的优缺点,设计了基于四元数的扩展卡尔曼滤波算法对无人机姿态进行最优估计,为飞行控制系统提供更加精确的实时反馈信息。在飞行控制系统中,依据所构建的系统非线性动力学方程,设计了基于串级PID的无人机姿态控制器和位置控制器。同时,为抑制姿态控制器的执行器饱和场景,设计了基于多模式PID的无人机姿态控制器。最后,将设计的姿态估计和飞行控制算法在Matlab环境下进行直线轨迹与定点飞行仿真,并移植到飞行系统中,进行自稳飞行与高度控制飞行实验,验证所设计控制算法的有效性。

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关键词：

四旋翼无人机 ARM 数据融合 姿态解算 组合导航 飞行控制算法