四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)的研究與設計.pdf

1、四旋翼無人機結(jié)構(gòu)簡單、飛行靈活，近年來備受關注。但其飛行控制系統(tǒng)由四個輸入力控制六個空間自由度，是典型的欠驅(qū)動、非線性、強耦合系統(tǒng)；加之機身重量輕，易受外界干擾，使得對其控制變得十分復雜和困難。本文針對四旋翼無人機飛行控制技術展開研究，旨在設計出一套完整的飛行控制系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，在研究四旋翼無人機的飛行原理之后，建立空間坐標系，基于物理學推導出四旋翼無人機的動力學模型，并對該模型進行線性化處理和解耦，將其分為橫

2、向、縱向、航向和垂直四個通道進行控制。橫縱向通道外環(huán)控制位置、內(nèi)環(huán)控制姿態(tài)；航向通道控制航向角；垂直通道控制高度。同時建立電機模型，最終得到了四個通道的傳遞函數(shù)。
　　然后，針對每個通道的特性，提出采用合適其特性的控制算法。針對線性運動較為簡單，橫縱向通道的位置環(huán)采用PID控制，針對四旋翼無人機在空中模型易改變、耦合嚴重且易受干擾，傳統(tǒng)雙閉環(huán)PID控制姿態(tài)無法滿足其魯棒性，姿態(tài)環(huán)采用H∞控制；針對航向角基本保持不變，航向通道采用L

3、Q控制；針對高度控制簡單，垂直通道采用PID控制。分通道控制不僅提高了系統(tǒng)的魯棒性和干擾抑制能力，而且使能量最優(yōu)化。在Matlab中對四旋翼無人機的定點飛行進行仿真，得到航姿曲線并進行分析，論證了解耦分通道控制的可行性，同時對每一個通道的控制效果進行分析，證明了本文提出的控制策略是有效的。
　　隨后，本文搭建出系統(tǒng)的硬件平臺，詳細闡述了傳感器模塊、無線傳輸模塊、主控芯片和電源模塊等主要模塊的設備選型和電路設計。同時基于FreeRT