论文总字数：17416字

摘 要

小型四旋翼飞行器是一种六自由度垂直起降无人飞行器，能够完成悬停、低速飞行、垂直起降和室内飞行等固定翼飞机无法完成的任务，与传统意义上的直升机相比，又具有结构和控制简单、制造精度要求较低、稳定性好、较弱的陀螺效应等优势。本文主要介绍了小型四旋翼飞行器的国内外发展现状、动力学系统建模以及PID控制器设计。通过研究小型四旋翼飞行器的飞行原理，建立了四旋翼的动力学模型。采用PID控制算法对四旋翼飞行器进行控制，给出了PID控制结构图，采用MATLAB/Simulink软件建立了控制系统的仿真模型，通过调整PID参数，对四旋翼飞行器的高度和姿态进行控制，并对PID控制的性能进行分析。仿真结果验证了该方法的有效性。

关键词：小型四旋翼飞行器 动力学系统建模 PID控制 Simulink仿真

Dynamic Modeling and Flight Control of Small Quadrotors

Abstract

Quadrotor is a six degree of freedom vertical takeoff and landing unmanned aerial vehicles, fixed wing aircraft to hover, low-speed flight, takeoff and landing vertically and indoor flight was unable to complete the task, compared with the traditional helicopter, but also has simple structure and control, manufacturing accuracy is low, good stability, weak gyro effect advantage. This paper mainly introduces the development status of the quadrotor, the dynamic system modeling and the design of PID controller. The dynamic model of the quadrotor is established by studying the flight principle of the quadrotor. The control of the quadrotor is controlled by PID algorithm, and the structure chart of PID control is given. The simulation model of the control system is established by MATLAB/Simulink software. By adjusting the PID parameter, the height and attitude of the quadrotor is controlled, and the performance of the PID is analyzed. The simulation results verify the validity of the proposed method.

Key Words: the quadrotor; the dynamic system modeling; PID control; Simulink simulation

目录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 概述 1

1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国内研究现状 4

1.3 四旋翼飞行器的应用 4

1.4 本文研究的主要内容 6

第二章 四旋翼飞行器的主要控制方法 8

2.1 PID控制 8

2.2 鲁棒控制 8

2.3 线性定量反馈理论（QFT) 9

2.4 滑模控制 9

2.5 反歩控制(Backstepping) 9

第三章 四旋翼飞行器动力学模型的建立 11

3.1 四旋翼飞行器的飞行原理 11

3.2 四旋翼飞行器的动力学建模 12

第四章 PID控制器设计与MATLAB/Simulink仿真 16

4.1 PID控制理论 16

4.1.1 PID控制的基本原理 17

4.1.2 PID控制的应用范围和优点 17

4.1.3 PID参数整定方法 18

4.2 PID控制器设计 20

4.3 MATLAB/Simulink仿真 20

第五章 总结与展望 21

参考文献 22

第一章 绪论

1.1 概述

无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle），简称无人机（UAV），是一种以无线电遥控或由自身程序控制为主的不载人飞机。与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用方便等优点，因此越来越受世界各国科研人员的关注。

自从20世纪80年代以来，伴随着通讯技术和计算机技术的迅猛发展及各种体积小、探测精度高、数字化、重量轻的新型号传感器的不断出现，无人机的飞行性能逐渐提高，其应用领域被迅速拓展。随着无人机技术的日趋成熟、国内自然灾害的频繁发生、航空摄影应用领域的进一步拓展、无人机应用优势的广泛体现，我国无人机遥感应用迅猛发展。

无人机按机翼类型可以分为：无人直升机、无人固定翼机、无人多旋翼飞行器等。与其他两种无人机相比，多旋翼飞行器具有飞行稳定、转向灵敏、易于控制等优点。

四旋翼飞行器(Quadrotor)，又称四轴飞行器，是一种具有四个旋翼且四个旋翼对称分布在十字形框架上的飞行器（图1-1）。同一轴臂上的一对旋翼转向相同，而相邻的一对旋翼转向相反，四个旋翼旋转时都会产生向下的推力，它利用空气动力来产生对飞行器向上的推力。通过改变四个电机的转速而改变飞行器的姿态与高度，从而实现对飞行器垂直起降、空中悬停、转向等动作的控制。

图1-1 四旋翼飞行器示意图

四旋翼飞行器在总体布局形式上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，其结构更为紧凑，能够产生更大的升力，并且4只旋翼可相互抵消反扭力矩，不需要专门的反扭矩桨。早在1907年，Bréguet-Richet就让世界上第一架四旋翼飞行器“Gyroplane No．1”升上了天空^[1]。

1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

瑞士洛桑联邦科技学院(EPFL) OS4 项目(Omnidirectional Stationary Flying

Outstretched Robot)^[2]。如图1-2所示，OS4 四旋翼飞行器是由电机驱动，可在室内、室外环境下全自主飞行的直升机。OS4 四旋翼飞行器的原型是全自主四旋翼飞行试验平台。该项目旨在设计并开发一个能够实现自主控制的四旋翼飞行器系统。此外，通过在机体安装4个用于探测障碍物的超声波传感器以及一个用于探测实时高度的超声波传感器，EPFL初步解决了OS4的避障问题，并在MATLAB/SIMULINK仿真环境下进行了OS4避障模型的测试，设计了避障控制器，并在此基础上提出了基于位置和速度双闭环控制的5种避碰方法。经实验证明，OS4 在仿真环境中能够避开障碍物，实现安全避障飞行。下一步研究重点是增强飞行器推力，使OS4 拥有更加可靠的自主飞行能力，安装视觉传感器以及测试航点跟随和机动避障能力。

请支付后下载全文，论文总字数：17416字