四旋翼飛行器飛行控制與實現(xiàn).pdf

1、四旋翼飛行器因其結(jié)構(gòu)簡單、機動性強、操作方便、能垂直起降等特點，已成為當今工業(yè)屆和學術(shù)界的研究熱點。四旋翼飛行器是一個多變量、強耦合、非線性、欠驅(qū)動的復雜系統(tǒng)，對環(huán)境的變化極其敏感，使得精確控制飛行器的姿態(tài)絕非易事，這對飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計提出了極高的要求，也使得飛行控制算法研究成為四旋翼飛行器控制關(guān)鍵技術(shù)之一。迄今為止，PID控制仍是四旋翼飛行器飛行控制的主角，它不需要系統(tǒng)的精確數(shù)學模型，基于系統(tǒng)誤差，通過調(diào)節(jié) PID控制器的參數(shù)，實現(xiàn)

2、四旋翼飛行器姿態(tài)控制。但由于四旋翼飛行器獨有的動態(tài)特性，使得傳統(tǒng)PID控制很難達到高精度的控制效果。本課題針對傳統(tǒng) PID在四旋翼飛行器控制上存在的問題，通過調(diào)研國內(nèi)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀和控制算法，主要針對以下幾個方面進行研究：
　　（1）分析了四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)布局與飛行原理；利用牛頓-歐拉法并基于混合坐標系，建立了四旋翼飛行器動力學方程和運動學方程；在合理的假設(shè)條件下，得到了四旋翼飛行器的簡化數(shù)學模型與狀態(tài)空間模型，完成了

3、四旋翼飛行控制系統(tǒng)參數(shù)的辨識。
　?。?）基于四旋翼飛行器非線性數(shù)學模型，分析了控制變量，設(shè)計了 PID控制器與反演控制器；在給定參考指令下，實現(xiàn)了姿態(tài)與位置控制；并在MATLAB/Simulink中對所設(shè)計的控制算法進行了對比仿真分析。
　?。?）基于嵌入式實時操作系統(tǒng) uC/OS-III，以STM32F407為主控制器，對硬件進行選型，完成了飛行器硬件平臺布局；基于飛行控制任務(wù)規(guī)劃，完成了控制指令的軟件流程設(shè)計；最后，完

4、成了四旋翼物理仿真平臺的搭建。
　　（4）采用 C語言編寫飛行控制算法軟件程序，基于已搭建的物理平臺完成硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。
　　仿真結(jié)果表明，飛行器在積分反演控制算法作用下，姿態(tài)達到穩(wěn)定的時間為1.1s，相比于抗積分飽和串級 PID控制算法，響應時間縮短了0.9s，比傳統(tǒng)PID控制算法，響應時間縮短了1.4s；并且系統(tǒng)控制仿真過程中無超調(diào)現(xiàn)象；實際的飛行結(jié)果表明，飛行器的姿態(tài)積分反演控制作用相比抗積分飽和PID控制算法的作