四旋翼无人飞行器设计和实验的研究

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1、四旋翼无人飞行器设计与实验研究摘要四旋翼无人飞行器是一种外型新颖、性能优越的垂直起降飞行器，具有结构简单、操作灵活、带载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值。本文在综述四旋翼无人飞行器的研究现状、关键技术与应用前景的基础之上，根据四旋翼无人飞行器飞行原理，建立系统动力学模型，确定了系统组成和总体设计方案。首先根据设计方案白行制作飞行器机体模型，选择合适的直流无刷电机作为系统动力装置，设计线性度良好、功率满足一定要求的的无刷电机驱动器，以满足四旋翼无人飞行器带载飞行需要。选取性能满足系统需要的微处理器、传感

2、器和相关电子元器件，设计相关硬件电路，并做了大量的系统软硬件调试工作，最终完成系统硬件设计。飞行运动姿态测量主要由航姿参考系统(AHRS)实现，姿态测量单元主要由惯性测量单元(IMu)和三轴磁传感器组成，针对其传感器的误差模型，设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)对飞行器机体姿态进行最优估计，从而得到载体的姿态和航向信息，为飞行器系统稳定飞行提供重要的反馈控制参数。‘。四旋翼无人飞行器要实现稳定飞行是以平衡控制为前提的，由于该飞行器具有六自由度而只有四个控制量的欠驱动的控制系统，通过调节四个电机转速实现飞行器平衡

3、稳定飞行，因此平衡控制是四旋翼飞行器运动中的关键。根据系统动力学模型设计控制算法，设计四旋翼飞行器控制系统控制规律，丰要包括两个控制回路：姿态控制回路、位置控制回路。在Matlab中搭建飞行器仿真平台，通过仿真验证后将算法移植到删处理器中，进行控制算法验证及实验研究，优化飞行控制算法参数。最后，为了满足四旋翼无人飞行器的稳定飞行控制的要求，设计实时性高的控制系统软件程序，进行相关实验调试工作。实验调试过程包括数据融合、平衡、鲁棒性实验，以此来检验相应算法的有效性。最终设计出能够实现遥控稳定飞行、具有一定的快

4、速性和鲁棒性的四旋翼无人飞行器。关键词：四旋翼无人飞行器；飞行控制系统；航姿参考系统；扩展卡尔曼滤波；A刚Ⅵ处理器哈尔滨工程大学硕士学位论文ABSTRACTQuadrotorUA％whichcaJlVenjcallytakeo行and1and，isanovel一shapedvehiclewithsupenorper士omance·Ithassimplestructure，agileoperation，andexcellent10adcapacitV．So1mportantValue1sgraJltedonQ

5、uadrotorUAVinmilita巧andcivilutinzation．Thispaperwilltlr8t8ummanzethecurrentresearchingstatlls，keytechn0109yandthefutureapplicationofQuadrotorUAV；andthenestablishthesystematicdyn锄icmodel，de右nethesvstemconstltutlonandoVeraIldesignplanaccordingtothenighttheor

6、yoftheQuadrotorUAVAtfirst，wemodeltheVehicleaccordingtothedesignscheme，andchooseaproperBmshlessDCMotorasthesystempowerplant．secondly，theBmshlessMotordriv瓯whichhassuitablepowerandfineline撕ty，isdesignedinordertofittheOuadrotorUAV谢thload．1nlrdIy，sultablemlcrop

7、rocessors，sensorsandrelatedelec仃oniccomponentsarechosetodeslgnhardwaurecircuitdia铲am，andat1astfinishthedesignofthehardwaresystemafterconslderableworkondebuggingthesystemhardwarea11dsonware．Measurementoftheni曲tmoVementandpostureisrealizedbvAHRSand伍emeasunng

8、cellismadeupofIMUandThreeAxesMaglleticSensor．AccordingtotheeHormodelotsensor，wedesignEKFtoachieVet11eoptimalestimateofthen饥nggestllreoftheVehicle．Sequentiallyweobtaintheinf-omationonthec枷er’sattimdeandcourse，