基于捷联惯导系统的小型无人机姿态解算及控制算法研究

摘要

近些年来，小型无人机因其具有体积小巧、机动性高、成本低廉、无人员伤亡风险等优点被广泛应用在军事、科技以及民用领域。飞行控制系统是小型无人机的关键部分，其性能优劣直接决定了小型无人机飞行的稳定性以及抗干扰能力，姿态解算及控制算法作为飞控系统的核心已经成为一个重要的研究课题。本文以四旋翼小型无人机为研究对象，主要研究了飞控系统中的姿态解算及控制算法。
　　首先，明确了课题的研究背景及意义，简单概括了无人机及其姿态解算、控制等技术的发展现状。其次，介绍了捷联惯导系统及其工作原理，并对四旋翼飞行控制的基本原理作了概述。本文的研究工作如下：
　　1.深入研究了几种常见的基于捷联惯导系统的姿态解算算法，在分析了惯性传感器工作原理以及传感器数据融合算法之后，针对互补滤波器参数固定的缺点，结合卡尔曼滤波的特性，提出了一种基于四元数的改进型互补滤波姿态解算算法。该算法具有自适应的特点，能够根据无人机姿态变化的快慢自动调整传感器置信系数的大小，仿真结果表明该算法在一定程度提高了姿态角的解算精度。
　　2.研究了当前主流的小型无人机姿态控制算法，主要研究了经典PID控制算法的基本原理以及参数整定的方法。针对小型无人机灵活性强、对控制器要求高等特点，结合理论分析，在经典PID控制器的基础上提出了两种姿态增稳方案，并重点分析了角度/角速度-串级PID控制器的姿态增稳方案，该方案在控制小型无人机角度的同时还实现了对角速率的控制，提高了小型无人机飞行的稳定性以及抗干扰能力。
　　3.采用模块化的思想设计了四旋翼的软硬件系统。首先介绍了各个模块器件的选型、设计思想以及电路原理图，并设计了基于STM32F103的飞控硬件系统。然后在Keil MDK软件开发环境下完成了飞控软件系统的开发。最后利用开发的四旋翼飞行器完成试飞测试，飞行测试的效果表明，本文设计的姿态解算算法能够精确地计算出机体的当前姿态角，基于姿态增稳的角度/角速度-串级PID控制器也表现出了良好的控制稳定性。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容及章节安排

第二章 捷联惯导系统与四旋翼控制原理

2.1捷联惯导系统概述

2.2捷联惯导系统工作原理

2.3四旋翼飞行控制原理

2.4本章小结

第三章 捷联惯导系统姿态解算算法研究

3.1几种常见的姿态解算算法

3.2惯性传感器及其在姿态解算中的作用

3.3传感器信息融合

3.4基于四元数的改进型互补滤波姿态解算算法

3.5本章小结

第四章 四旋翼姿态控制算法研究

4.1 Backstepping控制算法

4.2经典PID控制算法

4.3改进的PID控制算法

4.4本章小结

第五章 系统软硬件设计与飞行测试

5.1飞控硬件系统设计

5.2飞控软件系统设计

5.3飞行测试

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

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