微小型四旋翼无人机的位置控制

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1、毕业论文(设计)题目微小型四旋翼无人机的位置控制学生姓名学号院系专业指导教师年月日34目录1绪论11.1引言11.2无人机的分类11.3国内外四旋翼无人机研究现状与发展趋势21.3.1国外研究现状21.3.2国内研究现状31.4无人机的主要控制方法51.5本文研究的主要内容62控制对象介绍72.1设计目标72.2控制系统结构设计72.2.1硬件总体设计82.2.2软件总体设计82.3控制系统功能设计92.3.1导航系统92.3.2通信系统102.3.3电源系统102.3.4控制器选型102.4四旋翼无人机的飞行原理113数学建模123.1无人机高

2、度的建模123.1.1动力学建模123.1.2纯滞后环节的线性化133.2无人机坐标X的建模163.2.1动力学建模163.2.2纯滞后环节的线性化174控制理论184.1控制发展概况184.2控制的应用范围和优点194.3控制的现实意义204.4参数整定方法概述214.5控制的基本原理225四旋翼无人机的位置控制器设计235.1无人机高度的控制器设计245.1.1经典控制算法245.1.2控制器设计245.1.3控制结构概要分析255.2无人机坐标的控制器设计265.2.1控制结构概要分析266总结和展望286.1总结与分析28346.2前景与

3、展望29参考文献29致谢31Abstract3234微小型四旋翼无人机的位置控制微小型四旋翼无人机的位置控制摘要：本文采用了PID控制方法来实现微小型四旋翼无人机的位置控制。首先研究四旋翼无人机的飞行原理，通过对该飞行器的动力学和运动学建模，推导得出各个坐标方向上的传递函数。接着，考虑到所使用的传感器在收集数据时会产生延迟，通过对Pade一次延迟型逼近法研究，对该延迟环节进行线性化，并通过Matlab仿真对其进行优化，得出最终的传递函数。然后，利用PID控制理论设计微小型四旋翼无人机的位置控制器，并利用Matlab工具下的Simulink分别搭建

4、三个位置坐标（x,y,z)的PID控制结构图，并对其进行Simulink仿真，得出各位置坐标的阶跃响应曲线，最后再对得到的仿真结果进行性能评价。关键词：微小型四旋翼无人机；位置控制；Pade一次延迟法；PID控制；Simulink仿真1绪论1.1引言早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用领域主要是军事领域，之后才开始逐渐应用于民用遥感、侦察和作战飞行平台。自从20世纪80年代以来，伴随着通讯技术和计算机技术的迅猛发展及各种体积小、探测精度高、数字化、重量轻的新型号传感器的不断出现，无人机的飞行性能逐渐提高，其应用领域被迅速拓展[1]。

5、全球范围内的所有用途和所有性能指标的微小型无人机种类已达到上百种。它的续航时间从最初的一个小时延长到了现在的几十个小时，而其负载重量从几公斤至几百公斤，这就为长时间、大范围内的遥感监测提供了稳定保障，同时也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件[2]。随着无人机技术的日趋成熟、国内自然灾害的频繁发生、航空摄影应用领域的进一步拓展、无人机应用优势的广泛体现，我国无人机遥感应用迅猛发展。应用领域涉及到各行各业，包括：摄影测量、应急救灾、环境保护、公共安全、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农业估产与作业、自然灾害监测与评估、

6、城市规划与市政管理、林火病虫害防护与监测等。总之，微小型四旋翼无人直升机飞行控制技术的研究，从理论和工程的角度都具有重要意义。微小型四旋翼飞行器还是一项涉及多门交叉学科的高、精、尖技术,对国防建设是迫切需要和值得发展的研究项目。34微小型四旋翼无人机的位置控制1.2无人机的分类经过几十年的发展，无人机已经发展成一种种类繁多，各具特色的飞行器。无人机主要可以分为固定翼无人机和旋转翼无人机两类。固定翼无人机如图1-1，旋转翼无人机如图1-2。图1-1固定翼无人机图1-2旋转翼无人机固定翼无人机因自身安定性高，对自控技术要求简单所以有耗能低，巡航时间长

7、，飞行距离远的优点；但是起飞与降落需要场地，无空中定点悬浮机能，飞行中需保持一定的飞行速度，不利于空中摄影。而旋转翼无人机可垂直起落，对场地无要求；可空中悬浮，能拍摄高清晰相片美中不足的是其耗能高，飞行时间与距离短，且自身安定性低，难于实现自动控制[3]。34微小型四旋翼无人机的位置控制1.3国内外四旋翼无人机研究现状与发展趋势1.3.1国外研究现状东京电玩展2010展馆,展示了可以使用手机控制的四旋翼航模。本身采用了无人驾驶直升机式的设计，拥有四个独立驱动的螺旋桨,在驾驶舱前部安装有一个摄像头，可以拍摄第一人称视角的实时画面并通过传送给控制器。

8、驾驶舱下部配备有摄像头、重力感应装置、3轴陀螺仪、微机电控制芯片等部件，利用智能飞行技术可以纠正风力和其他环境误差，平衡的飞行速度和角度