基于stm32单片机的四轴飞行器控制技术的研究

摘要

微小型四旋翼飞行器具有以下优点:机械设计简单、飞行灵活、能够垂直起降以及安全性高。因此，在工程应用上前景广阔，可进行气象数据采集、空中影像、灾害救援、智能交通、农业喷洒等。本文的研究目的是设计制作一架用于工程实际应用的四旋翼飞行器，分析设计了四旋翼飞行器实验平台的制作方案，以及对其进行数学建模并在此基础上设计了姿态控制系统。
　　首先，进行需求分析，分析了四旋翼飞行器的机械、嵌入式软硬件系统的整体设计方案。其中，嵌入式系统设计主要讨论了硬件选型和软件系统程序流程的设计。对四旋翼飞行器进行数学建模分析。根据四旋翼飞行器的飞行原理以及牛顿运动方程，构建了四旋翼飞行器的非线性动力学模型。并基于一定的假设和简化，建立了四旋翼飞行器的线性模型，为飞行控制系统的设计奠定了基础。通过实验数据拟合模型参数，并且验证模型的稳定性与鲁棒性。阐述了捷联惯性导航的基本原理，分析了惯性导航姿态解算的三种方法，采用扩展卡尔曼算法由传感器数据获得实时姿态角。在建模的基础之上设计LQG控制器，并采用LTR技术和实验确定二次最优控制和卡尔曼滤波器中的参数。通过仿真和飞行实验验证控制器在跟踪、保持、抗噪、鲁棒等方面的性能，并与PID控制器分析比较了飞行器的动态性能。
　　通过四旋翼飞行器的室外飞行实验，验证所设计的姿态控制器性能。实验结果表明，本文设计的控制器取得了良好的控制效果，符合实际工程应用的飞行器的基本要求，从而验证了本文嵌入式软硬件设计和控制系统设计的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 四旋翼飞行器的发展趋势

1．3 四旋翼飞行器的控制方法

1．4 本文主要研究内容

2 四旋翼飞行器设计

2．1 需求分析

2．2 硬件总体设计

2．3 嵌入式系统设计

2．3．1 主要元件选型

2．3．2 硬件设计

2．3．3 软件流程设计

2．4 实验平台测试

2．5 本章小结

3 四旋翼飞行器建模

3．1 飞行原理

3．2 四旋翼飞行器非线性和线性模型

3．2．1 四旋翼飞行器非线性模型

3．2．2 四旋翼飞行器线性模型

3．3 姿态角建模

3．4 模型辨识

3．5 本章小结

4 航姿参考系统设计

4．1 相关理论介绍

4．1．1 常用坐标系

4．1．2 欧拉角

4．1．3 坐标转换

4．1．4 四元数介绍

4．1．5 卡尔曼滤波器介绍

4．2 基于互补滤波算法的航姿参考系统实现

4．3 基于四元数的扩展卡尔曼滤波器航姿参考系统实现

4．4 两种算法比较

4．5 本章小结

5 四旋翼飞行器控制算法研究

5．1 相关理论介绍

5．1．1 最优控制理论

5．1．2 PID控制方法

5．2 四旋翼飞行器姿态控制器设计

5．2．1 线性二次型性能指标的最优控制

5．2．2 卡尔曼滤波器设计

5．2．3 回路传输恢复

5．3 仿真结果与分析

5．4 PID姿态控制

5．5 本章小结

6 实验结果及分析

6．1 四旋翼飞行器姿态控制实验

6．1．1 控制器编程

6．1．2 姿态跟踪实验

6．2 本章小结

7 总结和展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果