四旋翼飞行器设计与稳定控制研究

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1、中国科学技术大学硕士学位论文四旋翼飞行器设计与稳定控制研究姓名：庞庆霈申请学位级别：硕士专业：@指导教师：@@摘要近年来，军用和民用市场的广阔应用需求和独特的优势促进了四旋翼飞行器（QuadrotorHelicopter）的发展。根据自主设计制作的样机，建立了四旋翼飞行器的动力学和动力系统动力学模型，并把卡尔曼滤波器应用于姿态解算，姿态控制部分采用PID（ProportionalIntegralDerivative）控制器。四旋翼飞行器的飞行控制系统决定了四旋翼飞行器飞行性能的优劣。首先，本课题设计了四旋翼飞行器飞行控制系统的总体方案，建立了其动力学数学模型；在此基础上，

2、完成了飞行控制系统的软硬件设计，包括器件选型、硬件电路设计、系统软件设计，并进行了大量调试，解决了程序和硬件设计中存在的问题。其次，建立完善的四旋翼飞行器飞行控制系统平台，将有助于进一步拓展对四旋翼飞行器飞行导航、控制算法和控制系统开发等方面的研究，为未来进一步研究开发满足不同条件的新型的多用途无人机打下坚实的基础。最后，实验结果表明，建立的四旋翼飞行器模型与实际是相吻合的，尤其决定飞行器是否优良的关键技术指标如稳定的垂直起降（VTOL）和姿态转换飞行等，都验证了该飞行控制系统具有更好的性能。通过四旋翼飞行器飞行试验验证了卡尔曼滤波和PID控制器算法可行性。关键词：四旋翼

3、飞行器建模卡尔曼滤波器PIDVTOLABSTRACTThebroadapplicationrequirementsinbothmilitaryandcivilianmarketsstimulatethedevelopmentofQuadrotorHelicopterrelatedprojectsduetotheiradvantagesoverregularairvehicles.Inthiswork,DynamicmathematicalmodelofQuadrotorHelicopterwasestablished.AQuadrotorHelicopterwasdesi

4、gnedandfabricated,withKalmanFilteringisusedforattitudecalculationandPIDcontrolisutilizedforattitudecontrol.TheflightcontrolsystemdeterminesthevariousflightperformanceofQuadrotorHelicopter.Firstly，Ihavecompletedtheflightcontrolsystemhardwareandsoftwaredesign，suchasthehardwarecircuitdesign,

5、deviceselection,softwaredesignandsoon.Greatdealofdebuggingwascarriedout,whichmeansremovingbugsfromprograms.Thedefectsexistintheelectronichardwareweresolvedintheprocessofdebugging.Secondly，TheestablishmentofaperfectQuadrotorHelicopterfightcontrolsystemplatformwillbehelpfultofurtherexpandon

6、QuadrotorHelicopterflightnavigationresearch,controlalgorithmdesign，andcontrolsystemdevelopment.Thesubjectlaysasolidfoundationforfurtherresearchonanewtypeofmulti-purposeunmannedaerialvehicle(UAV)whichwouldmeetdifferentconditions．Finally,Experimentalresultsshowthattheestablisheddynamicsmode

7、liseffectivetothedesignedQuadrotorHelicopter.OurdesignedQuadrotorHelicopterpresentsexcellentperformanceonsomekeytechnicalindices,astheaccuracycontroloftheQuadrotorHelicopter(attitudeandposition)andtheverticaltake-offandlanding(VTOL).ExperimentsonaprototypeofQuadroto