基于速度控制的四旋翼飞行器飞行控制系统研究

摘要

近些年，人们充分认识到无人机的作用，世界各国大力发展无人机产业，无人机成为研究的热点。无人机主要分为固定翼和旋翼两大类。旋翼相较于固定翼能够悬停，可以用来航拍、监控等。四旋翼具有结构简单、操作方便的特点，成为旋翼无人机的研究热门。对于没有驾驶员的无人机而言，飞行控制系统就是无人机的驾驶员，在飞机各种飞行活动中发挥着至关重要的作用。鉴于以上原因，本文自拟题目，自建四旋翼飞行器。对四旋翼飞行器的飞行控制算法进行研究。
　　本文研究的主要内容：
　　1.对无人机进行了概述：介绍了无人机特点，阐述飞行控制系统的发展历程，罗列了几种常用的飞控系统，在结合国内外研究现状的基础上介绍了几种典型的高性能无人机。
　　2.对研究的四旋翼建立数学模型：介绍了四旋翼的机械结构和飞行原理，设定了两个常用坐标系，对机体的受力情况进行分析，求解出模型的动力学方程;在给定的飞行器线速度和角速度方程的基础上求解出运动学方程，从动力学和运动学两个方面对四旋翼进行建模，最后结合四旋翼飞行器的实际飞行情况，对四旋翼飞行器的非线性方程组进行简化。
　　3.介绍了PID算法和基于四元数方法设计控制器的理论知识：从理论方面阐述两种控制方法的原理，并给出了相关整定和参数求解方法。
　　4.利用MATLAB平台将PID和基于四元数方法设计的算法仿真，并对两种方法的仿真结果进行比较。
　　本文的创新点：本文采用PID控制和基于四元数两种方法进行了控制律的设计。
　　仿真结果表明：本文中设计的控制律能够对四旋翼飞行器的速度进行有效的控制，特别是当速度较大的情况时，基于四元数方法相比于PID控制具有更好的控制效果。
　　本文建立了系统的数学模型，设计了飞行控制算法，为四旋翼飞行器的研究提供理论基础。

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第1章 绪论

1.1 无人机概述

1.2 无人机飞控系统的发展历程

1.3 国内外研究现状

1.4 本文的研究工作及主要内容

第2章 理论基础

2.1 PID控制

2.2 四元数理论

第3章 四旋翼飞行器的数学模型

3.1 四旋翼飞行器的机械结构和控制原理研究

3.2 坐标系定义

3.3 飞机的常用运动参数和坐标变换矩阵

3.4 数学模型要素

3.5 动力学方程的建立

3.6 运动学方程的建立

3.7 数学模型的简化

第4章 系统控制律的设计与仿真

4.1 引言

4.2 飞控系统的硬件结构

4.3 四元数控制律设计

4.4 PID控制率设计

4.5 实验仿真与分析

第5章 工作总结和展望

参考文献

致谢

附录

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