小型四旋翼無人機的設計及飛行控制系統(tǒng)研究.pdf

1、小型四旋翼無人機以其結構簡單，操作方便，具有垂直起降、空中懸停和快速航姿變換等優(yōu)點，被廣泛應用于工程實踐領域，具有重要的研究價值。針對小型四旋翼無人機飛行姿態(tài)測量易受干擾，姿態(tài)解算和姿態(tài)控制輸出誤差大等問題，以飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制為目標，設計了一種基于STM32微處理器的X型四旋翼無人機。采用以雙處理器、雙陀螺儀和雙加速度計為主的硬件架構，實時采集無人機的飛行姿態(tài)信息，并結合基于四元數(shù)的互補濾波算法和串級PID控制算法對姿態(tài)信息分別進行解算

2、和控制輸出。實驗結果表明，設計的X型四旋翼無人機姿態(tài)測量精度高，飛行性能較好，達到飛行姿態(tài)穩(wěn)定控制的目的。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴建立了小型四旋翼無人機系統(tǒng)的六自由度非線性數(shù)學模型。定義了無人機的地面坐標系和機體坐標系，并在該坐標系下采用牛頓-歐拉法建立動力學方程，采用幾何學方法建立運動學方程。在增加約束的條件下得到了簡化的系統(tǒng)非線性數(shù)學模型。⑵設計并搭建了基于STM32微處理器的X型四旋翼無人機硬件實驗平臺。該硬件實驗平臺采

3、用模塊化設計，主要包括主控制器、傳感器模塊、驅動模塊、遙控模塊、無線通信模塊和電源模塊。其中，雙處理器、雙陀螺儀和雙加速度計是核心。⑶設計了小型四旋翼無人機的飛行控制系統(tǒng)。它的核心為姿態(tài)解算和姿態(tài)控制算法兩部分。姿態(tài)解算采用四元數(shù)互補濾波算法融合陀螺儀、加速度計和磁力計的測量數(shù)據(jù)，輸出姿態(tài)歐拉角。姿態(tài)控制算法采用串級PID控制姿態(tài)，采用單環(huán)PID控制位置，從而實現(xiàn)姿態(tài)與位置的解耦。⑷實驗驗證了設計的小型四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的可行性和