微型四旋翼飞行器飞行控制系统设计与验证

摘要

微型四旋翼飞行器因其结构简单、低成本且可实现垂直起降等优点，在军事以及民用领域具有广阔的应用前景，因此成为研究的热点。但是四旋翼飞行器本身欠驱动、多变量、非线性等特性导致实现对该飞行器的控制难度较大，所以关于四旋翼飞行器的建模与飞行控制系统的设计成为了研究的难点。本文从工程应用出发，在总结国内外针对该类飞行器飞行控制系统研究的基础上，展开以下研究工作：
　　首先，针对微型四旋翼飞行器进行了理论建模研究。根据经典力学定理，建立了四旋翼飞行器的全量动力学模型，使用小扰动方法处理得到某定常状态下的线性化数学模型，通过对线性模型中的稳定性矩阵和操纵性矩阵的分析，为下一步飞行控制律的设计提供参考。
　　其次，总结并提出了飞行控制系统总体设计要求，按照设计要求完成了飞行控制系统总体方案设计，针对机载飞行控制系统中硬件系统中部分模块进行详细设计，软件系统部分则使用PID控制方法设计飞行控制律，以及采用模拟I2C通信采集部分传感器数据。
　　然后，对四旋翼飞行器捷联导航系统进行了研究。采用基于四元数的姿态矩阵更新算法解算姿态角，针对该方法所存在的不足，采用基于互补滤波器的姿态融合算法。另外，对于在硬件设计中所使用的微机电传感器提出了各自的误差校正方法。
　　最后，将所设计并实现的系统进行联合调试，验证捷联导航系统设计的有效性。为验证所设计的飞行控制律的有效性，采用自制微型四旋翼飞行器进行飞行试验。飞行试验结果表明，所设计的各个系统可以实现对四旋翼飞行器的稳定控制。

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注释表

第一章 绪 论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3国内外研究概况及其关键技术

1.4本文研究内容

第二章 四旋翼飞行器动力学模型

2.1引言

2.2四旋翼飞行器简介

2.3坐标系建立

2.4全量动力学方程建模

2.5气动力和力矩计算

2.6全量方程小扰动线性化

2.7本章小结

第三章 飞行控制系统组成与实现

3.1飞行控制系统设计要求

3.2飞行控制系统总体结构

3.3飞行控制系统硬件组成

3.4飞行控制系统软件架构

3.5传感器数据采集模块设计

3.6飞行控制律设计

3.7本章小结

第四章 姿态角提取算法

4.1引言

4.2捷联姿态矩阵更新算法

4.3基于加速度和磁航向计的姿态解算算法

4.4基于互补滤波器的姿态融合算法

4.5传感器误差校正

4.6本章小结

第五章 飞行控制系统试验验证

5.1引言

5.2试验系统组成

5.3捷联惯导系统验证

5.4飞行控制系统试飞试验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2后续工作展望

参考文献

致谢

硕士在读期间论文发表情况

附录A 递推最小二乘法算法推导