四旋翼飛行器姿態(tài)自平衡控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、小型四旋翼飛行器借助呈對稱分布的四個由電機(jī)驅(qū)動的螺旋槳實現(xiàn)垂直起降和任意方向的水平飛行,其獨特的運(yùn)動控制方式使其可以適用于多種復(fù)雜環(huán)境。然而,四旋翼飛行器是一個六自由度和四輸入(旋翼轉(zhuǎn)速)的欠驅(qū)動系統(tǒng),其姿態(tài)與位置存在直接耦合關(guān)系,具有多變量、強(qiáng)耦合和非線性等特點,因此,姿態(tài)控制是整個飛行控制的關(guān)鍵。本文旨在設(shè)計一種低成本,適應(yīng)性強(qiáng)的姿態(tài)控制系統(tǒng),使得四旋翼飛行器能夠在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)懸停。
　　通過對四旋翼飛行器的飛行原理、機(jī)械結(jié)

2、構(gòu)的仔細(xì)分析,借助SolidWorks三維模型的轉(zhuǎn)動慣量計算,應(yīng)用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的基本理論,推導(dǎo)出飛行器沿六個自由度運(yùn)動與四個輸入力之間關(guān)系的Newton-Euler方程,應(yīng)用電機(jī)學(xué)和動力學(xué)理論建立了直流電機(jī)驅(qū)動螺旋槳運(yùn)動的動力傳遞方程,建立了飛行器懸停、沿三個坐標(biāo)軸平動、繞三個坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)動、繞任意水平軸轉(zhuǎn)動的運(yùn)動條件方程。通過對四旋翼飛行器自主運(yùn)動控制原理的分析,應(yīng)用自動控制的基本原理建立了采用PID和Backstepping控制算法的

3、飛行器控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。在MATLAB上分別建立了飛行器動力學(xué)、控制系統(tǒng)和聯(lián)合仿真模型,針對機(jī)體的五種初始狀態(tài),在聯(lián)合仿真模型上對飛行器的自主運(yùn)動進(jìn)行了仿真研究,在理論上實現(xiàn)了飛行器沿六個自由度的自主運(yùn)動和在確定位置的懸停。
　　搭建了適用于四旋翼飛行器機(jī)械本體的包括ATMEGA2560主控制器、MPU6050姿態(tài)傳感器、具有信號傳輸和處理功能的自制PCB電路板的飛行器控制系統(tǒng)硬件,MPU6050芯片采集角速度和線加速度,經(jīng)補(bǔ)償濾