四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现

摘要

四旋翼无人飞行器是一种多旋翼飞行器，相较于传统的固定翼飞行器，能够实现空中定点悬停、垂直起降、低速飞行和编队协作等任务。近年来，四旋翼飞行器在灾情监测、森林防火、电力巡线、航空拍摄等场景有着广泛的应用，逐渐成为国内外的研究热门领域。在实际飞行中，四旋翼飞行器是一种典型的欠驱动机械系统，并有着非线性、强耦合等特点，同时其负载能力有限，高精度的导航系统使用受到限制，因此其控制技术一直是领域的重点研究方向。本文的主要研究内容如下：
　　首先，分析了四旋翼飞行器的结构特点并建立了姿态参考坐标系，得出了机体坐标系和地面坐标系之间的旋转变换矩阵，根据其飞行力学特点，建立了动力学模型和运动学模型。
　　其次，以ARM芯片STM32F407VGT6为控制核心，采用惯性测量单元进行飞行器控制系统中各模块的硬件电路设计并完成PCB的绘制。软件实现方面，使用四元数法完成飞行器的姿态角度解算及其各模块的驱动程序编写。
　　最后，使用双闭环串级PID控制规律，实现对飞行器姿态回路的稳定控制，利用MATLAB将实时飞行数据进行仿真分析。同时，完成了四旋翼飞行器的室外飞行测试，结果表明，四元数法能够满足对飞行器的实时解算要求，设计的串级PID控制算法能够完成对飞行器的稳定飞行控制。

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第1章 绪 论

1.1课题的背景及意义

1.2 四旋翼飞行器的国内外研究发展概况

1.3 本文的主要研究内容及结构

第2章 四旋翼飞行器的原理及数学模型

2.1 机体结构分析

2.2 坐标系与坐标变换矩阵

2.3 四旋翼飞行器数学模型建立

2.4 本章小结

第3章 四旋翼飞行器控制系统硬件设计与实现

3.1 总体方案设计

3.2 飞行控制系统硬件设计

3.3 系统驱动电路硬件设计

3.4 本章小结

第4章 四旋翼飞行器控制系统软件设计与实现

4.1 系统软件设计概述

4.2 飞行控制系统软件设计

4.3 基于改进的串级PID飞行控制策略

4.4 无线传输通信协议设计

4.5 本章小结

第5章 四旋翼飞行器控制系统性能测试

5.1 测试背景与基础

5.2 飞行器控制系统实验及分析

5.3 四旋翼飞行器实际试飞

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢