无人机飞行稳定性控制研究

摘要

近几年四旋翼无人机在消费领域尤其是在航拍领域获得巨大的成功，从而使得四旋翼无人机进入大众的视野，此外四旋翼无人机在工业领域也逐渐有着越来越多的应用。四旋翼无人机在空中飞行时有六个方向的运动，分别为：垂直运动、前后运动、左右运动、俯仰运动、横滚运动、偏航运动，但是控制四翼无人机的输入量只有四个，即通过控制四个电机的转速来改变其姿态，所以它是欠驱动系统。由于电机转动带动螺旋桨旋转产生的升力与螺旋桨转速不成线性关系，因此它还是一个非线性系统，同时包含多种传感器数据的处理、姿态的解算，以及控制算法的优化等技术难点。此外四旋翼无人机在飞行过程中机体受到风的扰动，从而导致四旋翼无人机飞行稳定性的控制变得比较复杂。 本论文采用STM32F407VET6芯片作为四旋翼无人机的主控制器，采用六轴运动传感器MPU6050，搭配三轴磁力计传感器AK8975构成九轴运动模块，通过陀螺仪、加速度计、磁力计传感器更为全面的采集四旋翼无人机姿态相关的数据。由于陀螺仪长时间的积分容易产生累积误差，因此通过互补滤波结合加速度计和磁力计来修正陀螺仪的角速度误差，并采用四元数法进行四旋翼无人机的姿态解算。在角度单环 PID控制的基础上采用双环PID控制进一步控制无人机的角速度，使得四旋翼无人机的的稳定性有所提高。

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