四旋翼飞行器及其控制系统研究

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2、扭．带凌這冉訝：乂研究方向：汁算机测量与控制＾娜．謙．Ｉ嚷義二〇－五年五月赞：滿／；＇＂’－．泰〇三，．：：／乂＾点纖，省六管硕士学位论文M.D.Thesis四旋翼飞行器及其控制系统研究ResearchonFour-RotorAircraftandtheFlightControlSystem周慧ZhouHui二○一五年五月*A~~m¥~~~~~ft~Arr~~m~~*ff~~~I~&ItX1~~1iJf~PX:*o~ft?Jd~r:l,~~7X!=ft~3JiJ1Jr:l~JA5F¥i~IJ~i~t~±m:1J!/r,i

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4、~--~~E)G~~~~~~~1¥itXo(1:~HfEtJitX1:EfO~18J§f'lil'rJlUJM1E)西北师范大学硕士学位论文摘要四旋翼飞行器属于多旋翼式直升机，其四个旋翼呈十字或X型对称分布。与其它普通飞行器相比，四旋翼飞行器具有机体架构简单、造价较低、飞行稳定性极高等优点。由于受自身性能的局限，固定翼无人机只能完成有限的飞行动作，而四旋翼飞行器具有长时间悬停、侧向飞行、倒飞等优点，使其能够胜任更多的飞行任务。由于四旋翼飞行器的性能优越，它已经成为研究的热点，并广泛运用于各行各业。本文对四旋翼飞行器的控制系统进行了分析，随后对其飞行原理进行了理论研究，

5、并建立四旋翼飞行器空气动力学模型。在此基础上，对四旋翼飞行器的硬件进行设计，包括各器件的分析、选型及其电路设计。四旋翼飞行控制系统采用STM32F103CB微控制器负责分析处理数据，使用MPU6505惯性测量单元、HMC5883L磁罗盘、MS5611气压计等传感器进行飞行信息的检测。其次，详细介绍了四旋翼飞行控制系统的软件算法部分；飞行控制系统对各类传感器采集的飞行数据，进行了四元数姿态解算，卡尔曼数据融合和PID算法控制。最后，通过仿真验证了其算法的有效性，并在飞行模拟器中进行了半物理仿真。实验结果表明，本文设计的四旋翼飞行器能够较好的达到设计目标，即在空中能够达到

6、稳定的飞行状态，抗扰动能力强；飞行控制系统的算法完全实现了四旋翼飞行器在室内平稳飞行的控制要求。关键词：四旋翼飞行器；STM32；四元数；FlightGearI四旋翼飞行器及其控制系统研究AbstractFour-rotoraircraftbelongstomultiplerotorhelicopter,anditsfourrotorsarecrossorX-shapedsymmetrical.Comparingwithothercommonaircraft,four-rotoraircrafthastheadvantagesofsimplebodystructure

7、,lowcost,highflightstability.Limitedbytheperformance,fixed-wingUAVcancompletelimitedflightmovements.Butfour-rotoraircrafthasthefeaturesoflonghovering,crabbing,invertedfeatures,whichmakesithavebetterperformance,andcandomoremissions.Asaresultofthefour-rotoraircraftsuperiorperform