基于Cortex-M4的四旋翼无人机控制系统的研究与实现

摘要

四旋翼无人机具有尺寸小、机械结构简单、运动自由等优点，已被广泛用于街景影视拍摄、监控巡察、电力巡检、环境监测、农业保险、快递配送等领域。四旋翼无人机吸引了许多学术研究人员，但是研究中最大的挑战是控制器设计。本文从四旋翼无人机硬件系统和软件系统着手，设计满足稳定性和鲁棒性要求的轨迹跟踪控制算法，同时处理了系统受到环境参数变化带来的扰动。
　　控制器设计是四旋翼无人机硬件系统中最重要的部分，通过对比多厂家的同类芯片以及综合考虑芯片的性能参数，最终选用内核为Cortex-M4的STM32F407VGT6主控制器芯片，并给出主控制器外围电路的设计。惯性测量单元（IMU）选用MPU6050元件，用于测量机体坐标系的三轴角加速度和线加速度。选用 HMC5883L磁力传感器测量地球磁场，无人机的高度信息通过MS5611芯片测量。对于硬件系统电源管理模块和无线传输模块给出了详细的设计方案。四旋翼无人机软件系统的研究采用模块化设计，给出了各模块芯片驱动程序的设计。
　　基于四旋翼无人机非线性模型，利用扩展卡尔曼滤波器对四旋翼无人机飞行姿态进行数据融合，从而解决各传感器数据不能同步更新的问题，以保证四旋翼无人机安全平稳的飞行。由于原始非线性模型不易进行控制器的设计，本文通过反馈线性化方法将其转化为线性可控的模型，随后利用成熟的线性控制理论进行控制律的设计以实现轨迹跟踪，同时借助Matlab数值仿真验证该控制器的有效性。
　　最后对四旋翼无人机进行了实物飞行，验证了本文研究的四旋翼无人机硬件系统、软件系统以及相应的控制算法的有效性，实现了对四旋翼无人机姿态的稳定控制。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 研究历史与现状

1.3 本文的主要工作

2 四旋翼无人机系统设计

2.1 无人机总体结构设计

2.2 无人机硬件系统设计

2.3 系统软件的设计

2.4 PCB设计

2.5 本章小结

3 高效姿态融合算法的设计

3.1 离散卡尔曼滤波

3.2 扩展卡尔曼滤波器

3.3 基于EKF的姿态融合

3.4 本章小结

4 轨迹跟踪控制器的设计

4.1 控制器总体设计

4.2 四旋翼无人机动力学模型

4.3 反馈线性化控制器

4.4 本章小结

5 仿真结果与分析

结论

参考文献

致谢