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摘 要

随着科学技术的不断进步，各领域研究成果正不断应用于人们的日常生活中，飞行器现代化和控制系统技术的提升,为民用无人机飞行器的发展提供了更多的可能,无人机的飞行控制系统技术逐渐发展成为了世界和亚洲各国的飞行技术研究发展热点之一。

本文首先详细介绍了关于四旋翼无人机控制系统的实际应用与发展背景，通过对国内外无人机研究现状的深入总结与系统性分析首先解释了四旋翼飞行器无人机的基本运动结构及其控制系统原理,在此基础上进一步提出了基于stm32的四旋翼无人机控制器运动控制系统的基本设计总体与架构。其次简要浅出地介绍了四旋翼无人机飞行器的基本运动结构及其原理,根据其空气动力学的原理对四旋翼控制器进行了算法设计，以PID算法为主建立了四旋翼飞行器的飞行模型，还演绎推导了一些有关四元数算法的基本数学原理。然后，介绍了基于STM32的主控制器、基于NRF的无线通信模块、基于MPU6050的传感器姿态估算模块等。分析了软件总体架构介绍了各部分软件设计流程，并且通过使用PID控制算法成功实现了四旋翼的控制系统模型。最后,通过MATLAB控制算法进行了模拟仿真飞行实验,通过模拟仿真实验结果充分验证了PID控制算法的实际可行性并对用户设计的四旋翼控制器,无人机自动控制系统模型进行了实地的飞行模拟实验,达到了预期的实地飞行效果。

关键词：四旋翼 无人机 PID 飞行控制模型

Software design of four-rotor controller

ABSTRACT

With the stepwise development of science and technique, various research results in different domains are being applied in people’s daily life. The improvement of aircraft control technology provides more possibilities of civil aircraft. UAV control technology is getting more attachments, which become a global hotspot research now.

The development background of the four-rotor UAV control system is first introduced in the paper. The holistic architecture of the four-rotor aircraft control system based on STM is proposed on the study of domestic and abroad research status and the analysis of basic structure and control theory. Secondly, the motion principle of the quadcopter is introduced, and the control algorithm of the quadcopter controller is designed according to the motion principle, and the quadcopter flight model is established according to the control algorithm. Then, introduced the main controller based on STM32, the sensor attitude estimation module based on MPU6050, the wireless communication module based on NRF, etc. Achieving the analyses of holistic software architecture and processes of different parts in software, and establishing the PID controller model. At the same time, the process of attitude control algorithm based on quaternion is introduced. Finally, the feasibility study of PID control algorithm was attested by MATLAB Simulink and the four-rotor UAV control system achieved the expected results verified by the flight tests.

Keywords：Four-rotor; UAV; PID; Flight control model

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 四旋翼控制技术的国内外研究现状 1

第二章 四旋翼飞行器控制原理 3

2.1 四旋翼飞行器的运动原理 3

2.2 四旋翼飞行器控制原理 4

2.2.1 飞行坐标系的建立 4

2.2.2 飞行姿态的控制 5

2.3四旋翼飞行器飞行模型的建立 6

2.4本章小结 8

第三章 飞行器的硬件设计 9

3.1飞行器硬件总体设计 9

3.2飞行器处理器芯片 10

3.3 飞行器传感器模块 11

3.4飞行器通信模块 12

3.5本章小结 13

第四章 飞行器控制软件设计 14

4.1飞行器软件总体架构 14

4.2系统初始化 16

4.3 姿态控制 17

4.4 控制算法实现 19

4.5 本章小结 21

第五章 实验与结果分析 22

5.1 仿真 22

5.2 飞行实验 24

5.3 本章小结 24

第六章 总结与展望 25

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

无人机作为一种户外环境下的监视、监控、科学测量等工具，受到了广泛的关注。因此，大学、政府研究机构和私营公司的许多研究小组都开发了各种类型的无人机。它是未来城市民用和军用应用中不可或缺的一部分^[1]。近几年来，无人机在科学应用中的重要性已经得到了彻底的证明。无论为无人机选择什么任务，它们的数量和用途在未来都将大幅增加。今天，无人机在许多公共任务中发挥着越来越大的作用，如边境监视、野生动物调查、军事训练、天气监测和当地执法。无人机主要用于情报、边境安全、平息叛乱、攻击和打击、目标识别和指定、通信中继、电子攻击、执法和安全应用、环境监测和农业、遥感、航空测绘和气象学。因此世界各地的武装力量继续大力投资于研究和开发有潜力提升无人机能力的技术^[2-5]。

1.2 四旋翼控制技术的国内外研究现状

微型飞行器，小型飞行器和遥控航模在市面上尤为常见，主要研究的是飞行器飞行控制算法、物理结构等。其中，美国的Draganflyer III^[6]是一款经典的四旋翼飞行器模型，其机身长度为76.2厘米，尺寸为18厘米，重量为481.1 g，转子直径28厘米，标准负荷113.2 g，可连续飞行在16至20分钟内，使用三个陀螺仪控制姿势稳定，整机材料使用的是高性能塑料和碳纤维作为外壳、旋翼等。微型和小型四轴飞行器的世界领先研究代表是乔治亚理工学院的GTMARS。GTMARS是为了佐治亚理工学院的火星探测无人飞行任务而设计和开发的一种cad无人飞行器用直升机系统,重量20公斤,续航30分钟,巡航速度高达72km/h, ,其无人飞行动力控制子系统和无人飞行控制动力子系统的主要设计方案均在第17届的美国直升机协会（AHS）国际大学生设计直升机竞赛中夺得头筹。尽管国内对四轴旋翼飞行器的技术研究投入和起步的时间相对于国际上较晚,但技术发展很快，其中大疆开发的四轴飞行器最具代表性。2012年，大疆创新推出了Phantom，其长度为39厘米，高度为16厘米，不间断的飞行时间约为15分钟，遥控距离为300 m。由于它具有出色的抗风性并具有内置的GPS等导航自动控制系统功能，可以在户外很大的高度范围内自由移动飞行，并且配备了GoPro运动相机，可以从天空的角度拍摄。 近年来，大疆的无人机不断创新，在世界无人机业内居于领先地位^[7-9]。

随着电子、通信、控制等学科的发展，在过去十几年中，通过国内外学者对四轴飞行器不懈努力的研究，提出了很多优秀的控制算法。常见的如下：

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