四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究

摘要

四轴飞行器是一种结构新颖，飞行方式独特，性能卓越的可垂直升降多旋翼飞行器，在近几年军用和民用无人机领域占据着越来越重要的地位。关于四轴飞行器的各方面研究工作也在近几年不断进行全面、深入的开展，本文从四轴飞行器基本原理到系统设计，再到姿态解算和控制进行了具体研究。
　　首先，本文介绍了四轴飞行器研究现状及发展前景，并对四轴飞行器基本原理、飞行姿态的欧拉角和四元数姿态表示以及数学模型及其辨识方法进行了研究。根据四轴飞行器系统功能，设计了系统硬件电路原理图和 PCB，并完成焊接、安装和调试，搭建了四轴飞行器硬件平台。
　　其次，在MDK开发环境中，成功将uCOS-III操作系统移植到STM32主控芯片，并对各系统子任务进行设计。其中，对 NRF24L01无线模块的双向通信以及系统内部串口通信任务进行了详细设计，开发了稳定的软件调试平台。在此基础之上，着重对 MPU6050陀螺仪和加速度计信号噪声进行了研究和分析，运用MATLAB辅助设计了IIR低通滤波器有效滤除电机震动噪声。对互补滤波法、卡尔曼滤波法和四元数法姿态解算进行了研究和比较，最终采用MPU6050内部DMP解算作为本系统姿态解算主要方法。
　　最后，对四轴飞行器实物进行了最小二乘法系统辨识实验，成功辨识了四轴飞行器姿态控制实际数学模型。针对该数学模型设计了 PID姿态控制器，对系统稳定性和控制效果进行了理论分析与实际实验的交互研究。最终取得了良好的姿态控制效果，同时对本文的研究不足和缺点进行了反思和总结，提出了进一步研究工作的规划和展望。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1课题背景及研究意义

1.2四轴飞行器国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 四轴飞行器工作原理及数学模型

2.1四轴飞行器基本结构及飞行原理

2.2飞行姿态的表示和运算

2.3四轴飞行器数学模型机理分析

2.4四轴飞行器数学模型系统辨识

2.5本章小结

第三章 四轴飞行器硬件系统设计

3.1整体结构设计

3.2主要功能分析及器件选型

3.3系统硬件电路设计

3.4本章小结

第四章 四轴飞行器系统软件设计

4.1系统软件总体设计

4.2无线通信任务设计

4.3串口通信任务设计

4.4其它任务设计及系统中断

4.5本章小结

第五章 四轴飞行器姿态解算

5.1姿态信号检测及分析

5.2姿态信号滤波

5.3姿态解算

5.4本章小结

第六章 四轴飞行器控制算法研究

6.1四轴飞行器模型参数系统辨识

6.2四轴飞行器PID控制算法研究

6.3系统调试及结果分析

6.4本章小结

第七章 总结与展望

致谢

参考文献