微型四旋翼飞行器的建模与控制系统研究

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1、万方数据声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：．袖卅气日期：27f?!巧!》关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学

2、术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。导师签名：日期：zo04．g．({日期：万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文微型四旋翼飞行器的建模与控制系统研究摘要近年来，无人机的发展在研究领域与工业领域都成为了越来越引起关注的话题。四旋翼飞行器是一种由四个旋翼推动的典型无人机。四旋翼飞行器具有可以垂直起降和自由悬停的结构，并且比固定翼飞行器具有更高的灵活性。由于这些特性，四旋翼飞行器可以广泛应用于多个不同的领域，例如侦察与监视，搜索与救援，室内导航与地形测绘等。但是由于四旋翼飞行器并不具有

3、良好的飞行稳定性，因此其飞行控制系统的分析与设计一直是四旋翼飞行器众多研究者最关注的问题之一。本文围绕四旋翼飞行器的飞行控制问题，设计了两种有效的控制算法，包括改进的比例积分微分(PID)控制和线性二次型(LQ)控制，并通过大量的计算机仿真实验加以验证。两种控制器都将应用于自行设计与制作的四旋翼飞行器原型机以实现其姿态控制与高度控制。论文的主要研究工作和贡献如下：首先，根据牛顿定律和欧拉方程，推导出了两种不同坐标系下的四旋翼飞行器动力学数学模型。基于该动力学模型，在MATLAB／Simulink仿真环境中建立了完整的四旋翼飞行器非线性仿真模型。然后在此基础

4、上，将PID控制方法与LQ控制方法应用于该模型的姿态控制与高度控制，使得飞行器能够获得平稳的飞行姿态和飞行高度。此外，建造了一架基于Arduino微型处理器的四旋翼飞行器原型机作为飞行平台。该原型机装备了三轴加速度计与三轴陀螺仪，可用于在前期获得建立仿真模型的各项参数以及在T万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文后期对控制算法进行飞行试验测试。然后，在MATLAB／Simulink环境下，将四旋翼飞行器的非线性动力学仿真模型与PID控制器和LQ控制器分别串联，组成完整的控制系统，并对两个控制系统进行了大量仿真实验，用以评价与对比两种控制器的性能。最后，仿真

5、实验结果显示，两种控制方法都能够有效地使飞行器姿态角与高度达到预定的目标值，并获得稳定的飞行状态。虽然LQ控制器在响应速度与超调量方面略优于PID控制器，但是PID控制器具有更加良好的综合性能。因此在进一步的真实飞行平台测试中，将选用PID控制方法。关键词：无人机，四旋翼飞行器，PID，t,Q，动力学模型万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文MoDELINGANDCoNTROLOFAMICROQUADROTORABSTRACTNowadaysthedevelopmentofUnmannedAerialVehicles(UAV)isthetopicwithg

6、rowinginterestinbothresearchandindustryarea．Thequedrotor，propelledbyfourrotors，isoneofthetypicalUAVs．IthasaVerticalTake-OffandLanding(VTOL)structureandthemaneuverabilitycomparingtofixed—wingaircraft．Duetothesecharacteristics，quadrotorscanbewidelyusedindifferentareas，suchassurveill

7、ance，searchandrescue，indoornavigationandmapping．Andthecontrolalgorithmisthemainconceminquadrotordesignbecauseofthepoorperformanceofquadrotorsinstability．Thepurposeoftheresearchinthisthesisistodeveloptwoefficientcontroltechniques，includingProportional—Integral—Derivative(PID)contro

8、landLinearQuadratic(LQ)control，to