小型四旋翼飞行器导航与控制系统研究

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1、分类号：V249.32密级：公开UDC：学校代码：10127硕士学位论文论文题目：小型四旋翼飞行器导航与控制系统研究英文题目：TheResearchofNavigationandControlSystemofQuadrotor学位类别：工学硕士研究生姓名：岂伟楠学号：201002190学科(领域)名称：控制理论与控制工程指导教师：江杰职称：教授级高工协助指导教师：职称：2013年6月6日内蒙古科技大学硕士学位论文摘要小型四旋翼飞行器是一种新型的可以垂直起降的小型无人飞行器，它具有呈十字对称交叉结构形式的四个螺旋桨，并且具有非线性、强耦合性、时变性的动力学特征以及系统本身的不确定性等

2、特点。它通过改变四个对称分布的旋翼转速来调整机体的姿态与位置，具有可悬停、机动性好、结构简单等优点，受到各国科技工作者的广泛关注。本文以小型四旋翼飞行器为研究对象，首先对小型四旋翼飞行器的飞行原理进行了分析并提出了系统整体设计方案。对四旋翼飞行器的动力学、运动学特性进行分析，并采用准LPV法将建立的系统非线性动力学模型线性化，并以此模型作为控制系统的仿真模型。其次，根据四旋翼飞行器对导航信息的要求设计了以STM32微控制器、MEMS陀螺仪、加速度、磁阻传感器为基础的导航系统，并设计了一种基于四元数的扩展卡尔曼滤波的姿态导航算法。以四元数和陀螺仪零点漂移作为状态变量，欧拉角作为输出变

3、量，利用四元数姿态微分方程作为卡尔曼滤波器的状态方程，通过加速度和磁阻传感器输出构造观测方程来实现基于四元数的扩展卡尔曼滤波的姿态解算算法，从而解算出飞行器的航向、姿态信息。把导航控制器解算得到的航向姿态数据通过无线ZigBee模块发送到设计的上位机LabVIEW软件上，完成对飞行器姿态数据的存储和实时显示，并分析扩展卡尔曼滤波数据融合的效果。实验结果表明这种算法在静态情况下可以得到飞行器较好的姿态输出，动态性能还需要通过改进导航算法进一步测试，从而为飞行器稳定飞行提供准确的航向姿态信息。再次。针对无感无刷直流电机设计了电子调速系统，在设计调速系统过程中，采用反电势过零检测法检测电

4、机转子位置，通过PWM原理对电机进行调速，成功的实现了电机的启动、运行以及调速。最后，针对四旋翼飞行器系统具有一定的非线性和不确定性，在结合系统特性的情况下选择控制算法。针对四旋翼飞行器控制系统和电机组成的非线性模型，对飞行器俯仰角速率、横滚角速率、偏航角速率、垂直速率四个通道采用PID控制方法进行控制器设计，并对仿真结果进行分析，验证了算法的有效性。关键词：四旋翼飞行器；非线性建模；导航系统；无刷直流电机；PID控制I内蒙古科技大学硕士学位论文AbstractQuadrotorisanewmodelofsmallUnmannedAerialVehiclesthatcouldtak

5、e-off andlandvertically.IthasfourpropellerswithaSymmetriccrossstructure.The quadrotorhassomedynamicfeaturessuchashighcouplingdegree,nonlinearity,time- varyingandtheuncertaintyofthesystemitself.Itadjustsitspositionandattitudeby varyingfoursymmetricalpropellers’speed,withthemeritssuchashoveringa

6、bility, goodmaneuverability,andsimplifiedstructure.Quadrotorattractnationalscienceand technologyworkers’sattention.ThispapertakesquadrotorUnmannedAerialVehicleastheobjectoftheresearch. First,thearticlehasanalyzedtheflyingprincipleofquadrotorandproposedoverall designsolution.Characteristicsofae

7、rodynamicsandkinematicsofthequadrotor aircraftareanalyzed,thelinearmathematicalmodelandLPVmodelwereestablished, takingitasthecontrolsystemofsimulationmodel.Second,duetothedemandsofquadrotoronnavigationinformation,thispaper designedanatt