四軸飛行器的設(shè)計(jì)與算法研究.pdf

1、無(wú)人飛行器（UAV）可用于民用事業(yè)、滿足國(guó)防需求，也可以開(kāi)發(fā)和利用航空資源。國(guó)內(nèi)外對(duì)飛行器都進(jìn)行了大量的研究。一般對(duì)飛行器的研究主要分為三個(gè)類(lèi)型：固定翼機(jī)、旋翼機(jī)和撲翼機(jī)。無(wú)人飛行器自主飛行的技術(shù)多年來(lái)一直是航空領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，并且在實(shí)際應(yīng)用中存在大量的需求，例如軍事（偵察目標(biāo)捕獲與營(yíng)救任務(wù)等），科學(xué)數(shù)據(jù)采集（地質(zhì)、林業(yè)勘探、農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)害防治等），視頻監(jiān)控（航拍FPV、影視制作等）等。利用無(wú)人飛行器來(lái)完成上述任務(wù)可以大大降低成本和提高人員

2、安全保障。
　　四軸飛行器作為多旋翼飛行器的一種，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不受機(jī)翼大小的限制，飛行器姿態(tài)保持能力較高，可以實(shí)現(xiàn)多種飛行姿態(tài)，如懸停、俯仰、橫滾、升降、偏航轉(zhuǎn)向等狀態(tài)。
　　四軸飛行器在結(jié)構(gòu)上較單翼直升機(jī)相比，結(jié)構(gòu)緊湊、能產(chǎn)生更大的升力，同時(shí)可以通過(guò)反扭矩作用使飛行器平衡，不需要專(zhuān)門(mén)的反扭矩旋翼，懸停性能更加良好，易于控制，對(duì)于操作者的要求不高等特點(diǎn)，這對(duì)于廣泛的應(yīng)用推廣具有重要的意義，在民用和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景

3、，因此對(duì)于四軸飛行器的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
　　四軸飛行器系統(tǒng)高度自動(dòng)化是建立在姿態(tài)估計(jì)和PID控制的基礎(chǔ)上。姿態(tài)估計(jì)所需數(shù)據(jù)來(lái)源于陀螺儀、加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)等傳感器。為了減少傳感器采集中的誤差，需要對(duì)測(cè)量值加權(quán)平均和線性濾波，即對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。線性卡爾曼濾波是公認(rèn)的用于估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)變量和減少噪聲最有效的狀態(tài)估計(jì)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)卡爾曼濾波器主要有兩種方法：全狀態(tài)空間法（直接法）和誤差狀態(tài)空間方程（間接法）。在卡爾曼濾波的直接法

4、中，狀態(tài)向量是通過(guò)狀態(tài)估計(jì)和測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算的，這種卡爾曼濾波方法來(lái)源于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)。這種方法的最大特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)概念清晰和簡(jiǎn)單。在卡爾曼濾波的間接法中，狀態(tài)向量是估計(jì)狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)狀態(tài)之間的誤差，為了估計(jì)測(cè)量誤差，系統(tǒng)的每個(gè)部分都要建立誤差模型。PID控制器是一種對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)的控制器，由比例、積分和微分控制三部分組成?？梢苑譃镻控制、PI控制、PD控制和PID控制幾種控制方法，其區(qū)別是控制所需參數(shù)的個(gè)數(shù)不同，計(jì)算量也不一樣。在嵌入式應(yīng)

5、用中，處理器的計(jì)算能力有限。綜合考慮后，選擇PI控制更適合四軸飛行器的姿態(tài)控制。
　　本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)微型四軸飛行器，用以驗(yàn)證控制算法的可行性和姿態(tài)估計(jì)的有效性。在建立的飛行器動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于經(jīng)典PID和姿態(tài)估計(jì)算法的四旋翼飛行器自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)采集姿態(tài)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)已濾波后的加速度值和角速度值進(jìn)行二次濾波融合，提高了加權(quán)濾波算法的性能。通過(guò)實(shí)際計(jì)算的數(shù)據(jù)給出PID控制算法的PID控制、PI控制和P控制的性能