四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究
四旋翼飞行器动力学建模与控制技术研究随着无人机技术的不断发展，四旋翼飞行器已经成为了无人机市场中的一种重要机型。
四旋翼飞行器由于其体积小、操作灵活、便携性强等特点，被广泛应用于农业、地质勘探、安防、航拍等领域。
然而，四旋翼飞行器的稳定性及控制问题一直是制约其广泛应用的关键性技术之一。
因此，本文将探究四旋翼飞行器动力学建模及控制技术的研究现状和趋势。
一、四旋翼飞行器动力学建模四旋翼飞行器的动力学模型一般包括四个方程，分别是运动学方程、动力学方程、气动平衡方程以及电机方程。
首先，运动学方程是描述四旋翼飞行器在空间的运动轨迹和姿态的方程。
这个方程组包括七个微分方程，包括三个表示位置的方程和四个表示姿态的方程。
位置方程描述飞行器在三个自由度上的运动，姿态方程描述飞行器在三个方向上的旋转。
接下来，动力学方程主要描述四旋翼飞行器的运动和状态方程。
四旋翼飞行器的动力学方程主要包括牛顿定律、欧拉定理、动量定理和角动量定理。
气动平衡方程则描述了四旋翼飞行器在空气中的运动状态。
这个方程组包括六个方程，其中四个方程描述四个电机的输出，两个方程描述飞行器的速度和角速度。
电机方程则描述了四个电机的动力输出。
这个方程通常采用电机的转矩和输出功率来进行建模，用来计算四旋翼飞行器的运动状态。
二、四旋翼飞行器控制技术四旋翼飞行器的控制技术是保障其稳定飞行的关键之一。
控制技术的核心是设计合理的控制算法和系统结构，通过对飞行器的状态进行控制，以达到预定的控制目标。
其中，传统的PID控制算法无法适应四旋翼飞行器的高自由度、快速响应的特点。
针对这个问题，目前研究较多的是基于模型预测控制（MPC）和切换控制的方法。
MPC将控制问题视为一个优化问题，通过对未来状态进行预测，优化当前状态，从而实现系统控制。
而切换控制则通过将控制问题分成多个子空间，通过切换不同的控制子空间，实现系统控制。
同时，四旋翼飞行器的控制技术也离不开传感技术的支撑。
四旋翼飞行器需要准确地获取各种姿态、位置、速度等信息才能进行控制。
微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究
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国防科学技术大学研究生院学位论文 ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｍｉｃｒｏ／ｍｉｎｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｉｓ ａｌｌ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｎｏｖｅｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅ－ｏｆｆａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ ＶｅｈｉｅｌｅｆＯＡＶ）ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｎｄ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｕｓａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄ ＯＲ ａ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ／ｍｉｎｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ｏｎ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎ仕ｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｔａｔｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ
ｓ协ｎ酊ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ａｒｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ．
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎ廿ｏｉｌｅｍ（ＡＤＲＣ）ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅｎ ｓｔａｔｅｓ ｏｆｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｔｏ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｈｅｉｇｈｔ；ｔｈｅ ＰＤ－ＡＤＲＣ ｄｏｕｂｌｅ ｄｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ａｒｅ ｉｎ仃ｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｄｉｍｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｄ）ｍ珊ｎｉ晦ｔｈｅｎ ｔｈｅ Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｏ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｃｄ’ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｒ ｃａｌｌ ｈｏｖｅｒ．１１圮ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ
四旋翼无人机控制系统设计与实现
四旋翼无人机控制系统设计与实现四旋翼无人机是一种结构简单、操作灵活的垂直起降无人机。
首先分析了四旋翼无人机的基本运动原理，然后以APM飞控计算机为核心，结合GPS定位芯片、陀螺仪、加速度计、航向计、无线数据电台等装置，进行了微型四旋翼无人机的系统集成。
分析了包括位置回路和姿态回路的双闭环控制结构的四旋翼无人机的控制逻辑与控制规律。
在进行传感器标定、参数整定等工作的基础上，对无人机进行了综合调试。
最终实现了无人机的稳定可靠飞行，具有良好的姿态控制、轨迹控制能力，各项性能指标符合设计要求。
标签：四旋翼无人机；PID控制；飞行控制；姿态控制；轨迹控制Abstract：The four-rotor unmanned aerial vehicle（UA V）is a kind of vertical take-off and landing UA V with simple structure and flexible operation. In this paper，the basic principle of motion of the four-rotor UA V is analyzed，then the APM flight control computer is used as the core，and the GPS positioning chip，gyroscope，accelerometer，heading meter，wireless data radio and other devices are combined. The system integration of micro quad-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）is carried out. The control logic and control law of the four-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）with double closed-loop control structure including position loop and attitude loop are analyzed. On the basis of sensor calibration and parameter tuning，the UA V is comprehensively debugged. Finally，the UA V can fly stably and reliably，and it has good attitude control and trajectory control ability，and all the performance indexes meet the requirements of design.Keywords：four rotor UA V；PID control；flight control；attitude control；trajectory control1 概述四旋翼無人机是一种非共轴、多旋翼式无人机，改变四个旋翼产生的升力大小就可以实现姿态稳定及飞行控制，其结构简单，体积较小，且飞行平稳、隐蔽性好，可用于救援搜索、侦查监控、探查航拍等任务，具有重要的研究价值和广阔的应用前景[1]。
四旋翼无人机设计与制作毕业论文
四旋翼无人机设计与制作毕业论文摘要：无人机作为一种重要的航空器，具有广泛的应用前景。
本论文以四旋翼无人机为研究对象，通过对其设计与制作的实践，在硬件和软件方面进行详细阐述。
主要包括无人机的结构设计、电路设计以及飞行控制系统的编程。
通过实际测试，验证了该无人机的飞行性能。
关键词：无人机、四旋翼、设计、制作、飞行控制系统第一章引言无人机是一种可以在没有人操控的情况下自主飞行的航空器。
其广泛应用于航拍、农业、交通、救援等领域。
四旋翼无人机作为一种应用广泛的无人机，具有结构简单、稳定性好的特点。
因此本论文以四旋翼无人机为研究对象，旨在通过具体的设计与制作过程探究其相关技术和原理。
第二章无人机的结构设计2.1无人机的基本组成部分2.2机身设计机身的设计要考虑到材料的轻量化和强度的要求。
一般使用轻质的碳纤维材料制作机身，同时增加机身的刚性，提高结构的强度和稳定性。
2.3电机和螺旋桨设计电机是驱动四旋翼无人机飞行的关键器件，其选型要根据负载和飞行需求来确定。
同时，螺旋桨的选择也要考虑到机身的尺寸和重量，以及飞行的稳定性。
第三章无人机的电路设计3.1电路原理图设计根据四旋翼无人机的功能要求，设计相应的电路原理图。
主要包括电源供给电路、电机驱动电路和飞行控制系统。
3.2电路板制作将电路原理图转化为实际的电路板，并通过蚀刻和钻孔等工艺制作出来。
可使用CAD软件进行设计，选择合适的印刷电路板材料，然后通过化学方法蚀刻出电路线路图。
第四章无人机的飞行控制系统的编程4.1控制算法设计无人机的飞行控制系统是其能够自主飞行的关键。
通过对四旋翼无人机的姿态控制、高度控制和速度控制等方面进行算法设计。
4.2编程实现基于设计出的控制算法，利用C语言等编程语言进行实际代码的编写。
通过传感器采集到的数据以及飞行控制系统的指令进行相应的处理，并将处理结果发送给无人机的执行机构（电机）。
第五章实验与结果分析通过将设计好的无人机进行实际测试，对其飞行性能进行验证。
四旋翼飞行器悬停控制的研究
四旋翼飞行器悬停控制的研究悬停控制是四旋翼飞行器（Quadrotor）中最基本的控制问题之一，也是四旋翼飞行器实现定点悬停的核心任务。
悬停控制要求四旋翼飞行器能在空中保持稳定的位置和高度，不受外界干扰的影响。
本文将对四旋翼飞行器悬停控制的研究进行介绍。
首先，四旋翼飞行器的动力学模型是悬停控制的基础。
四旋翼飞行器可以简化为一个刚体，在空中的运动可以通过角速度对应的张力来描述。
四个电机产生的力和力矩会改变四旋翼飞行器的位置和姿态。
为了控制飞行器的位置和姿态，我们需要设计合适的控制器。
在悬停控制器的设计中，最重要的是高度控制和姿态控制。
高度控制是四旋翼飞行器在垂直方向上的运动控制，而姿态控制是四旋翼飞行器在水平方向上的运动控制。
高度控制采用的控制方法通常是基于PID控制器的设计。
PID控制器包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。
通过测量实际高度和期望高度之间的误差，PID控制器根据误差的大小调整四个电机的输出力，使得四旋翼飞行器能够达到期望高度。
姿态控制通常采用的控制方法是基于反馈控制的设计。
反馈控制是通过测量飞行器的姿态角（俯仰角、横滚角和偏航角）来调整电机的输出力，使得飞行器能够保持期望的姿态。
常见的姿态控制算法有比例控制、PID控制和模糊控制等。
除了高度控制和姿态控制，四旋翼飞行器悬停控制还需要考虑飞行器的位置控制。
位置控制是通过测量飞行器相对于地面的位置来调整四个电机的输出力，使得飞行器能够保持在期望的位置。
常见的位置控制算法有最优控制和模型预测控制等。
此外，四旋翼飞行器悬停控制还需要考虑控制器的鲁棒性和抗干扰能力。
在实际飞行过程中，飞行器可能会受到不同的干扰，如风力、重力偏差等。
因此，悬停控制器需要设计为能够抵抗这些干扰，并保持飞行器的稳定性。
最后，四旋翼飞行器悬停控制的研究还需要与传感器的使用相结合。
传感器可以提供飞行器的位置、姿态和高度等信息，从而帮助控制器实时地进行调整。
常见的传感器有加速度计、陀螺仪、超声波传感器和摄像头等。
基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统研究与设计
摘要小型四旋翼无人飞行器由于具有精确悬停、垂直起降以及机械结构简单等特点，已经成为众多研究机构的研究热点，无论是在军事领域，还是在民用领域，四旋翼无人机都有着广泛的应用。
由于四旋翼无人飞行器是一个具有6自由度和4个控制输入的欠驱动系统，其数学模型具有强耦合、非线性、多变量等特点，以及建模不精确和外部干扰等不确定因素，均使得飞行控制复杂化。
因此本文以反步法为基础，结合不同策略，研究与设计了四旋翼飞行器的控制系统，并利用仿真实验验证与分析了所设计系统的飞行性能。
首先，将四旋翼无人飞行器看作刚体，选取合适的坐标系，分析了四旋翼无人飞行器空气动力学特性和飞行原理，在此基础上，推导并建立四旋翼飞行器的数学模型。
其次，在不考虑不确定因素的情况下，详细分析了基于反步法的四旋翼无人飞行器飞行控制系统的设计。
设计过程中，将四旋翼的控制系统结构分为位置环路和姿态环路分别进行设计。
接着，针对飞行器姿态环路存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和RBF神经网络的控制策略。
利用RBF神经网络对任意非线性连续函数具有逼近的特点，在控制系统设计过程中在线估计出复合干扰，同时对于逼近误差进行了补偿。
最后，针对在位置和姿态环路均存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和ESO的控制策略。
为避免反步设计过程中出现“微分爆炸”现象，提出了动态面策略，以及为提高系统鲁棒性，采用了滑模面；为减轻控制系统的复杂计算，对于系统中出现的复合干扰项，提出了ESO方法对其在线实时估计，并在控制律设计中实时补偿。
关键词：四旋翼无人飞行器，反步法，RBF神经网络，扩张状态观测器，复合干扰，轨迹跟踪ABSTRACTDue to its advantages such as precise hovering, vertical taking off and landing (VTOL), and simple mechanical structure, the quadrotor unmanned aerial vehicle(UA V) has become hotspot in the unmanned aerial vehicle area, and whether in the military field or in the field of civil, the vehicle has been widely used. The vehicle is a typical uneractuated system, and it has six degrees of freedom and four control input. The mathematical model has the characteristics of strong coupling, nonlinear, multivariable, and modeling imprecision and uncertainty factors such as external disturbance, are complicated flight control. So this paper adopts control method based on the backstepping to study and design the flight control system of the vehicle and through the simulation to the control system analysis and verification.Firstly, this paper takes the vehicle as a rigid body, selects the appropriate coordinate system, and analyzes the aerodynamic characteristic and the flying principle. On this basis, the mathematical model of the vehicle is derivated and established.Secondly, without considering various uncertain factors, this paper introduces in detail the flight control system design based on the backstepping. In the design process, the whole control structure can be divided into position loop control and attitude loop to design respectively.Thirdly, for the aircraft attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. Using the characteristic of the RBFNN to approximate arbitrary nonlinear continuous function to estimate the compound disturbance online and compensate the approximation error. The controller can guarantee the vehicle to track the desired trajectory.Finally, for the position loop and attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. For avoiding the complex calculation, the interference is observed by ESO online and the algorithm composites the interference in the control law. For avoiding the problem of “explosion of terms” in backstepping control and improving the robust, the dynamic surface control method and the sliding mode surface are applied to design the controller.KEY WORDS：Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle, Backstepping, Netural Network, Extended State Observer, Compound Interference, Trajectory Tracking目录摘要 (I)ABSTRACT .................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 论文的研究背景与意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状 (2)1.2.1 四旋翼飞行器的应用研究现状 (2)1.2.2 四旋翼飞行器的控制算法研究现状 (8)1.3 论文主要内容与论文结构 (9)第2章小型四旋翼无人飞行器的建模 (11)2.1 四旋翼飞行器的机体结构和飞行原理 (11)2.1.1 四旋翼飞行器的机体结构 (11)2.1.2 四旋翼飞行器的飞行原理 (12)2.2 四旋翼飞行器的数学模型 (12)2.2.1 坐标系分析 (13)2.2.2 四旋翼飞行器的空气动力和力矩分析 (14)2.2.3 四旋翼飞行器的位置子系统模型 (15)2.2.4 四旋翼飞行器的姿态子系统模型 (15)2.3 本章小结 (16)第3章基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (17)3.1 反步法基本概念 (17)3.1.1 李雅普诺夫稳定性 (17)3.1.2 反步法及其稳定性 (18)3.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (20)3.2.1 姿态回路控制律设计 (22)3.2.2 位置回路控制律设计 (23)3.3 仿真分析 (24)3.4 本章小结 (27)第4章基于反步法和RBFNN的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (29)4.1 RBF神经网络基本概念 (29)4.1.1 RBF神经网络结构 (30)4.1.2 RBF神经网络的逼近 (31)4.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (32)4.2.1 位置环路控制律设计 (34)4.2.2 姿态环路控制律设计 (35)4.3 仿真分析 (38)4.4 本章小结 (40)第5章基于反步法和ESO的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (43)5.1 扩张状态观测器(ESO)以及相关基础知识 (44)5.1.1 ESO的设计及其误差有界性分析 (44)5.1.2 动态面策略 (46)5.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (47)5.2.1 位置环路控制律设计 (48)5.2.2 姿态环路控制律设计 (49)5.3 仿真分析 (52)5.4 本章小结 (55)第6章总结与展望 (57)6.1 论文总结 (57)6.2 论文展望 (58)参考文献 (59)发表论文和科研情况说明 (63)致谢 (65)第1章绪论第1章绪论在本章中首先简单描述了四旋翼无人飞行器的研究背景和意义，其次简单介绍了四旋翼无人机的发展历程以及目前的发展现状，最后概述了本论文的内容安排和论文的结构安排。
四旋翼飞行器的姿态解算及控制
四旋翼飞行器的姿态解算及控制时代的发展伴随着社会不断的变迁，也伴随着各行业的不断发展。
特别是随着信息技术的不断成熟和创新，更多复杂的、繁琐的行业都引入了智能化、远程遥感的相关技术，而四旋翼飞行器就是当前时代的一类科技产物，可以用于气象观测、航拍等多个方面，而研究其相应的设计流程以及对于以往设计问题的改革，也是当下研究的热点话题。
标签：四旋翼飞行器；姿态解算；控制设计0 引言对于姿态解算与飞行管控往往是四旋翼飞行器的设计关键点，而对于以往的四旋翼飞行器而言，通常会运用到捷联式惯性导航设计，但是往往会出现姿态漂移，而且各类条件下，飞行器的飞行状态并不接近，而且以往姿态解算控制方式往往无法达到机体姿态的准确解算与稳定管控。
而就此，笔者将通过本文，就四旋翼飞行器的姿态解算及控制方面入手，将进行具体的分析和研究。
1 四旋翼飞行器系统原理一般四旋翼飞行器组成主要是以X型机架为基础，飞行控制模块设置在机架核心处，而转动电机则设定在X型架的各个末端，有电动机直接启动螺旋桨转动，从而实现飞行器的上升起飞。
而且在同一条直线上的电机均属于相同方向的转动，这也意味着不处于同一直线的电机转动方向是相对的，这类设计主要是为了减少陀螺效应和空气动力扭矩效应产生的影响，也能避免飞行器在飞行过程中自我旋转，而且一般飞行器的姿态位置调控均是以所有电机运转速度快慢配合实现的。
主要是的系统设计方法是把传感器感知的原始参数以算法解算，然后取得机体运行的姿态参数，最后在进行整体性的姿态解算，而且需要参考遥感取得的相关参数，将其与当下姿态参数进行对比，算出控制设备需要输入的数据量，然后通过相应整理，整合为相应的管控命令，以调整电机运转速度，最后达到姿态调控的效果。
但是，传感器在采用MEMS器件时带来的零漂误差以及四旋翼飞行器其本身欠驱动等特性，也让机体姿态的解算和飞行控制成为整个设计的难点。
2 常规姿态解算和控制误差存在的问题表现运用常规姿态解算取得姿态角参数时，往往会因为本身数据的误差而导致姿态计算参数出现较大的偏移，若是将已经偏移的姿态参数作为一般PID的输入参数，以实现对四旋翼飞行器的姿态管控，往往会导致角速度出现骤变，最终导致最终机体姿态角度和口标角度的误差较大，飞行器飞行出现失衡问题。
四旋翼飞行器有限时间super-twisting滑模控制方法与流程
四旋翼飞行器有限时间Super-Twisting滑模控制方法与流程一、引言随着无人机技术的快速发展，四旋翼飞行器因其结构简单、操作灵活等优点，在军事、科研、娱乐等领域得到了广泛的应用。
然而，由于其非线性、不确定性以及外部干扰等因素，使得四旋翼飞行器的稳定控制成为了一个具有挑战性的研究课题。
因此，本文提出了一种基于有限时间Super-Twisting滑模控制方法，以解决这个问题。
二、四旋翼飞行器模型四旋翼飞行器的动力学模型主要包括六个状态变量：位置(x, y, z)、角度(ψ, θ, φ)和速度(u, v, w)，通过牛顿-欧拉方程进行描述。
三、有限时间Super-Twisting滑模控制方法有限时间Super-Twisting滑模控制是一种自适应控制策略，它可以在有限时间内消除系统误差，并且对系统不确定性和外部干扰具有很强的鲁棒性。
1. 设定滑模面：选择合适的滑模函数S，使其在平衡点处为零。
2. 设计切换函数：根据滑模面设计切换函数，使系统能够在平衡点处稳定。
3. 采用Super-Twisting算法：利用Super-Twisting算法来估计系统的不确定性，并将其用于控制器的设计。
四、控制流程1. 初始化：设定初始状态和参数。
2. 计算滑模面：根据当前状态计算滑模面S。
3. 设计切换函数：根据滑模面设计切换函数。
4. 估计不确定性：利用Super-Twisting算法估计系统的不确定性。
5. 控制律设计：根据切换函数和不确定性估计，设计控制律。
6. 更新状态：根据控制律更新系统状态。
7. 判断是否达到平衡点：如果滑模面S为零，则到达平衡点，结束；否则返回步骤2。
五、结论本文提出的基于有限时间Super-Twisting滑模控制方法能够有效地解决四旋翼飞行器的稳定控制问题，提高其动态性能和鲁棒性。
在未来的工作中，我们将进一步优化控制策略，提高控制精度和效率。
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研 究 生 姓 名：朱君 指导教师姓名：江杰 内蒙古科技大学信息学院 包头 0140un Supervisor： Jiang Jie School of Information Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA
签名：___________ 导师签名：___________ 日期：____________
内蒙古科技大学硕士学位论文
摘
要
四旋翼无人飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形 交叉结构，通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定盘旋和精确飞行，其具有欠驱 动、多变量、强耦合、非线性等复杂特性。四旋翼无人飞行器研究内容涵盖了制 造技术、结构设计、材料工程、空气动力学、自主飞行控制与导航、图像处理和 先进通信技术、高效能源、微机电技术、传感器技术等多种高、精、尖技术，因 此对四旋翼无人飞行器的研究无论是从国防战略角度，还是从民用角度来看，都 有着十分深远的意义。 本文以四旋翼无人飞行器为研究对象，首先，介绍四旋翼无人飞行器涉及的 关键技术，设计了四旋翼无人飞行器整体结构，包括四旋翼无人飞行器的机械结 构、控制系统硬件和软件设计，搭建四旋翼无人飞行器研究平台。其次，对四旋 翼无人飞行器进行力学分析，并根据系统实际结构建立其动力学方程，得到系统 传递函数，通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。第三，针对四旋翼 无人飞行器数据采集处理，通过无线串口的方式将数据发送到上位机，并在 LabVIEW 中搭建数据采集平台，运用卡尔曼滤波对加速度和陀螺仪传感器进行数 据融合，获得飞行器姿态原始数据和较好的姿态融合数据。第四，依据四旋翼无 人飞行器的系统仿真模型，通过 Matlab 中的 Simulink 模块，分别对姿态回路 PI 控制算法、 姿态和位置回路的 PID 控制算法和积分分离 PID 控制算法进行了仿真， 验证了控制算法的有效性。 最后，在实验室环境下，通过系留实验，验证了四旋翼无人飞行器控制系统 设计方案和姿态、位置控制算法的可行性，并提出改进意见和方法。
关键词：四旋翼无人飞行器；动力学模型；卡尔曼滤波；LabVIEW；控制算法
I
内蒙古科技大学硕士学位论文
Abstract
Quadrotor UAV is a kind of aircraft, that has four propeller and the four propeller with a cruciformcross-structure, that by balancing the four rotor generates force to achieve a stable hover and precision flight. It has underactuated, multivariable, strongly coupled, nonlinear and others complex characteristics, and its research covers variety of interdisciplinary cross-integration of high precision and advanced technology professional, such as Manufacturing Technology, Structural Design, Materials Engineering, Aerodynamics, Autonomous Flight Control and Navigation, Image Processing and Advanced Communication Technology, Energy Efficiency, MEMS Technology, Sensor Technology and so on. Therefore, the research of the Quadrotor UAV a very far-reaching significance, whether from the point of view of national defense strategy, or from a civilian. This paper according to the Quadrotor UAV as the research object. First of all introduce key technologies involved in Quadrotor UAV, and structure for the overall design, including Mechanical structure, hardware and software architecture design, and Build a Quadrotor UAV platform. Followed mechanical analysis of the Quadrotor UAV, and establish its dynamics equation based on the actual structure, and get the system transfer function, and appropriate to simplify the transfer function for the system simulation model. By the third, According to the data acquisition for Quadrotor UAV, and with the way of wireless serial port to send data to the PC, and the Kalman filter is used on acceleration sensor and gyroscope datas fusion, And in LabVIEW to build a data acquisition system, access to raw data and a better attitude of the spacecraft attitude to integration of data. Fourth based on the Quadrotor UAV system simulation model, with the simulation in Matlab Simulink blocks, respectively PI Control algorithm, PID Control algorithm and Integral separation PID Control algorithm to point against the attitude loop and attitude-position loop respectively, verify the effectiveness of the control algorithm. Lastly, complete the Quadrotor UAV mooring experiment in a lab environment, verify the feasibility of the designing of Quadrotor UAV control system and attitude-position control algorithm, and submit its views and methods to improve. Key Words：Quadrotor UAV; Dynamic model; Kalman filter; LabVIEW; Control Algorithm
TP273 分类号：____________ ＵＤＣ：____________
密
公开 级：______________
10127 单位代码：______________
硕士学位论文
论文题目：四旋翼无人飞行器控制系统设计
及控制方法研究
学 作
200902258 号：_________________________ 朱君 者：_________________________
签名：___________ 日期：____________
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单位：内蒙古科技大学 单位： 单位：
论文提交日期：2012 年 06 月 06 日 学位授予单位：内 蒙 古 科 技 大 学
四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
Design of Control System and Research on Control Method for Quadrotor UAV
控制理论与控制工程 专 业 名 称：_________________________
2012 年 06 月 06 日
内蒙古科技大学硕士学位论文
论文题目： 四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
朱君 作者：_________________________
指 导 教 师： 协助指导教师：
江杰
教授级高工
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内蒙古科技大学硕士学位论文
目
摘
录
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Abstract ..........................................................