1. 研究目的与意义及国内外研究现状

目的：飞行控制是多旋翼无人机研究领域主要问题之一。飞行器在飞行过程中会受到各种干扰，如传感器的噪音与漂移、强风与乱气流、载重量变化及倾角过大引起的模型变动等等。这些都会严重影响飞行器的飞行品质。无人机系统中的力并不是平衡的力，因此无人机的控制技术便显得尤为重要，直接关系到无人机的稳定性、可靠性、安全性。通过此次毕业设计，可以熟练掌握卡尔曼滤波，掌握四元数姿态描述、pid控制等方法。熟练掌握单片机的硬件编程，keil等编程工具的使用。同时期望可以通过学习与研究实现一款更加优秀的飞行器控制器。

意义：多旋翼是不稳定系统，也不是完整驱动系统（或者叫欠驱动系统）。它的桨只能产生相对机身向上的升力。所以它不稳定、很难控制好，飞行器翻过来之后基本没办法控制回来，就会产生坠机事件。因为飞行器作为系统有不稳定性、驱动完整不完性，多旋翼让人来控制难度相对高，最好有自动控制器来控制飞行器的姿态以达到一个比较理想的飞行姿态。而此论文就是用单片机作为控制核心，通过各种姿态解算、控制算法，来实现这以目标。

国内外研究现状

公开数据显示，2015年全球民用无人机有望售出40万架，市场规模预计会比去年增长55%，达到1.3亿美元。有调研机构预计，无人机市场规模2018年将增至10亿美元，全球无人机市场正在飞速发展。 国内众多知名品牌大疆，极飞，傲翼等公司的几款飞控已经走在了科技的前沿，无论是高度稳定性，还是姿态平稳性都已经达到相当一定的高度。国外的hoverfly ，以及知名的开源飞控apm也都是发展迅速。

2. 研究的基本内容

本论文在keil的编译环境下，开发一个关于多旋翼无人机的姿态控制器，来控制飞行器的姿态。主要进行以下几部分的工作：1 全角度欧拉角与四元数转换研究：通过欧拉角与四元数来进行全方位姿态解算。对欧拉角和四元数的对应关系进行研究。2pid控制：通过对p.i.d的调节，来调整飞行器姿态飞行时对姿态控制信号的响应情况。3硬件设备通信搭建；通过单片数据传输需要保证数据的稳定性，同时要求数据传输并不能占用太多的cpu时间，所以选用dma方式发送与中断方式接收数据。尽可能的少占cpu。

4控制器开发：在通信搭建完成的情况下，完成对飞行控制系统的开发。

5实验与验证：经行对整个系统的校验，装机，完成姿态飞行。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：调节pid控制，结合卡尔曼滤波、四元数欧拉角姿态解算，通过c语言与c 语言来实现无人机控制系统。

实行进度：2015年12月1日—2015年12月10日：调研，初步对想实现的功能进行设计。2015年12月11日—2015年12月30日：通过查找大量资料，查阅关于pid，h无穷大等控制理论，四元数，欧拉角姿态表示方法资料，确定最终所使用的控制理论以及姿态描述方式。2016年3月 1 日—2016年3月15日：进行详细设计。 2016年3月1日—2016年3月10日：开始着手系统开发，主要是硬件平台搭建。

2016年3月11日—2016年3月25日：硬件平台的通信实验。

4. 参考文献

[1] 刘兴川,基于四元数的 ＭＡＲＧ 传感器姿态测量算法[m]. 清华大学出版社, 2012

[2] 张帆, 一种新的全角度四元数与欧拉角的转换算法. 南京理工大学学报， 2002 年，第 4 期[3] 许佩珍, 董长虹，四元数在战斗机飞行仿真中的应用. 北京航空航天大学学报， 1997,23 [4] 田春华,卫星姿态控制系统的分析、设计和仿真研究. 哈尔滨工业大学， 2000[5] 章仁为,卫星轨道姿态动力学与控制》. 北京航空航天大学出版社， 1998.5

[6] gelb, applied optimal estimation,mit press,1974.