四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究

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1、ｆ啼，為＾＾而ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＯＦＣＨＩＮＡ专业学位硕±学位论文ＭＡＳＴＥＲＴＨＥＳＩＯＮＡＬＤＥＧＲＥＥＩＳＦＯＲＰＲＯＦＥＳＳ＾＾Ｉ＞Ｉ垂．Ｉ论文题目四轴飞行器控制系统设计ｆ及其姿态解算和控制銷挪究Ｉ专业学位类别工程硕ｄ：学号２０１２２２０８０６１３作者姪名何瑜’指导教师熊静琪教授Ｉ独剑性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工ｉ作及取得的研究成果。

2、据我所知，除了文中特别加Ｕ■标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过：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确的说明并表示谢意。作者签名；《马日期；刮ｒ年＾月矣日论支使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可［＾将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进巧检索，可Ｗ采用影印、缩印或扫描

3、等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）作者签名；导师答名：日期：如／Ｔ年ｒ月ｙ日分类号密级注1UDC学位论文四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究（题名和副题名）何瑜（作者姓名）指导教师熊静琪教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士专业学位类别工程硕士工程领域名称机械工程提交论文日期2015.05.05论文答辩日期2015.05.14学位授予单位和日期电子科技大学2015年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。THEDESIGNOFQUADCOPTERCON

4、TROLSYSTEMANDRESEARCHOFITSATTITUDEALGORITHM&CONTRLAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MasterofEngineeringAuthor:HeYuAdvisor:ProfessorXiongJingqiSchool:SchoolofMechatronicsEngineering摘要摘要四轴飞行器是一种结构新颖，飞行方式独特，性能卓越的可垂直升降多旋翼飞行器，在近几年军用和民用无人机领域占据着越来

5、越重要的地位。关于四轴飞行器的各方面研究工作也在近几年不断进行全面、深入的开展，本文从四轴飞行器基本原理到系统设计，再到姿态解算和控制进行了具体研究。首先，本文介绍了四轴飞行器研究现状及发展前景，并对四轴飞行器基本原理、飞行姿态的欧拉角和四元数姿态表示以及数学模型及其辨识方法进行了研究。根据四轴飞行器系统功能，设计了系统硬件电路原理图和PCB，并完成焊接、安装和调试，搭建了四轴飞行器硬件平台。其次，在MDK开发环境中，成功将uCOS-III操作系统移植到STM32主控芯片，并对各系统子任务进行设计。其中，对NRF24L01无线模块的双向通信以及系统内部串口通信任务

6、进行了详细设计，开发了稳定的软件调试平台。在此基础之上，着重对MPU6050陀螺仪和加速度计信号噪声进行了研究和分析，运用MATLAB辅助设计了IIR低通滤波器有效滤除电机震动噪声。对互补滤波法、卡尔曼滤波法和四元数法姿态解算进行了研究和比较，最终采用MPU6050内部DMP解算作为本系统姿态解算主要方法。最后，对四轴飞行器实物进行了最小二乘法系统辨识实验，成功辨识了四轴飞行器姿态控制实际数学模型。针对该数学模型设计了PID姿态控制器，对系统稳定性和控制效果进行了理论分析与实际实验的交互研究。最终取得了良好的姿态控制效果，同时对本文的研究不足和缺点进行了反思和总结

7、，提出了进一步研究工作的规划和展望。关键词：四轴飞行器，IIR低通滤波器，姿态解算，系统辨识，PID控制器IABSTRACTABSTRACTQuadcopterisakindofexcellentandnovelverticalliftablemulti-rotoraircraft,whichistakingamoreandmoreimportantpositioninmilitaryandcivilianfieldofunmannedvehicle.Variousaspectsofresearchworksaboutthequadcopterarecompreh

8、ensiv