四旋翼飞行器建模与控制器设计

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1、分类号______________________________密级______________________________ＵＤＣ______________________________编号______________________________四旋翼飞行器建模与控制器设计学位申请人：张海星学科领域：交通运输工程校内导师：胡文华副教授答辩日期：独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已

2、经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人签名_______________日期____________关于论文使用授权的说明本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。学生本人签名日期校内导师

3、签名日期本文受国家自然科学基金项目资助—基于多次采样数字控制技术的大容量中频逆变电源及相关技术研究（51567009）本文受江西省教育厅一般项目资助—基于工作于线性放大区电力电子器件的逆变电源技术研究（GJJ160492）摘要四旋翼飞行器建模与控制器设计摘要四旋翼无人机因可垂直起降、结构简单、操作简便等特点获得了迅速发展，在农业植保、警用巡查、影视航拍等领域受到了越来越多的应用，应用价值巨大。本文在介绍四旋翼的国内外研究现状、关键技术后，详细研究了四旋翼的数学建模问题，PID控制器、反步法控制器、自抗扰控制器（A

4、DRC）的设计，然后搭建四旋翼飞行平台，验证PID控制器的有效性。主要研究方法、研究内容和研究成果包括有：一、对四旋翼模型进行建模，分析四旋翼飞行器的结构和飞行原理，得到四旋翼飞行器的动力学模型，并将其表达式变换为仿射非线性模式。二、针对四旋翼的动力学模型，设计PID控制器，并在SIMULINK中搭建仿真模型，进行定点悬停实验、姿态角实验等验证此控制器的有效性。三、针对四旋翼的欠驱动特性，结合四旋翼的动力学模型方程和反步法（Backstepping）控制器理论，设计四旋翼反步法控制器，并进行姿态角实验、定点悬停实

5、验等验证了此控制算法的有效性。四、首先介绍自抗扰控制方法的基础理论，再结合四旋翼的动力学方程，设计四旋翼自抗扰控制器。通过姿态角控制实验可以发现该控制器能够有效实现四旋翼的姿态角增稳控制，然后在该控制器的俯仰通道和横滚通道外环加上两个独立的PID控制器，构成了四旋翼PID-ADRC控制器，再通过定点悬停实验、轨迹追踪实验等可以验证此控制器的有效性。五、自行搭建四旋翼实验平台，在实际硬件环境中验证PID控制器的有效性。主控制芯片选用STM32F407，电源芯片采用TPS7333，姿态芯片采用MPU6050；自行设计

6、遥控信号捕获电路，PWM输出电路，2.4G无线通信接口等，加工制作、焊接调试PCB控制板，烧录程序，调试完毕，并在实际环境中做了简单起飞实验，在实际环境当中验证了PID控制器的实用性。本文从四旋翼数学建模开始，仿真验证了四旋翼PID控制器、反步法控制器、自抗扰控制器的有效性，最终并自行搭建调试四旋翼实验平台，对最简单的PID控制器做了实际验证。关键词:四旋翼，PID，反步法控制器，自抗扰控制器IAbstractTHEMODELINGOFTHEQUADROTORANDTHEDESIGNOFTHEQUADROTORC

7、ONTROLLERABSTRACTThequadrotorhasdevelopedrapidlyduetofeaturessuchastake-offandlandingvertically,simplestructure,andeasyoperation.Ithasbeenappliedinmoreandmorefieldssuchasagriculturalplantprotection,policepatrol,aerialphotography,andhasgreatapplicationvalue.Af

8、terintroductionoftheresearchstatusandkeytechnologiesofquadrotorathomeandabroad,themathematicalmodelingofquadrotor,thedesignofPIDcontroller,backsteppingcontrollerandADRCcontrollerisstudied