四旋翼直升机控制系统设计与实现

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1、国内图书分类号：TP273工学硕士学位论文四旋翼直升机控制系统设计与实现硕士研究生：张浩然导师：黄金杰申请学位级别：工学硕士学科、专业：控制理论与控制工程所在单位：自动化学院答辩日期：2014年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TP273DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringControlSystemDesignandImplementationCandidate：Supervisor：ofQuadrotorZhangHaoranHuangJinjieAcademicDegreeAppliedfor：M

2、asterofEngineeringSpecialty：ControlTheoryandControlEngineeringDateofOralExamination：March，2014University：HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《四旋翼直升机控制系统设计与实现》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已

3、在文中以明确方式注明。本声明韵法律结果将完全由本人承担。作者签名：匆k德。醛，日期：z驴f垆年罗月，。日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《四旋翼直升机控制系统设计与实现》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的部分内容。本学位论文属于保密口，在年解密后适用授权书。不保密囹

4、。作者签名：罗也瑟，导帅签名：日期：7矿／夕年歹月／0日日期：z护／严年岁月，D日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文四旋翼直升机控制系统设计与实现摘要四旋翼直升机是一种桨翼对称分布，机械结构简单，姿态控制灵活，可垂直起降的六自由度多旋翼飞行器。与传统的单旋翼直升机相比，更适合于航拍、线路巡检，近地飞行等任务，在军用与民用领域均有着广泛的应用前景。四旋翼直升机有着六个自由度，但只有四个控制输入，属于典型的欠驱动控制系统，控制方法复杂，因此在国内外成为了研究的热点。本文旨在建立一个四旋翼直升机的实际控制实验平台，并在该平台上进行控制系统实验。首先，对四旋翼直升机的机体结构和动力学特性进行

5、了详细的分析与研究，利用欧拉角描述四旋翼直升机的姿态，在此基础上建立了四旋翼直升机的运动学与动力学模型。采用PID控制器，利用运动学与动力学模型，进行控制算法的设计。主要针对四旋翼直升机进行了滚转角、俯仰角、偏航角以及高度的控制，建立了姿态控制系统与高度控制系统，并仿真验证控制方法的可行性。其次，根据控制系统设计要求建立了四旋翼直升机的整套实验平台。硬件平台采用STM32微控制器为控制核心，采川MPU6050采集加速度与角速度数据，采用NRF24L01无线通信模块与地面基站进彳亍无线通信。地面通信基站作为数据的中转，负责上位机与四旋翼直升机的数据通信。上位机平台采用WPF框架进行

6、设计，实现人机交互。最后，在将控制方法应用到实际控制的过程中，针对微控制器计算三角函数慢的问题，提出了采用四元数表示四旋翼直升机姿态的方式，将三角函数运算转换为乘法运算，大大降低了运算量，从而可以使用微控制器实现四旋翼直升机姿态的控制。关键词四旋翼直升机：数学模型；飞行控制；PID；网元数ControlSystemDesignandImplementationofQuadrotorAbstractQuadrotorisakindofsixdegreesoffreedom(DOF)multi．propelleraircraft．1"hereagemanyadvantages，suc

7、hasthesimplemeehanicaIstructure．flexibleattitudecontrol，symmetricalpropellersandverticaltake．offandlanding．Comparingwiththetraditionalsingle-propellerhelicopter，it's1"110resuitableforthetaskofaerialphoto，routerinspectionandnear-earthflight．So