四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究

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1、HebeiUniversityofEngineering硕士学位论文题目：四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究作者姓名：张智攀指导教师：张永强教授学科专业：计算机科学与技术所在学院：信息与电气工程学院独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料》对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作

2、者签名：说養弯签字日期年jT月2^日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解河北工程大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权河北工程大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供査阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名:躺f签字日期：>7丨1年文月7�日工学硕士学位论文四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究河北工程大学2015年5月分类号：TP399密级：公开UDC：单位代码：10076工学硕士学位论文四旋翼无人飞行器控制系统设

3、计与实现研究作者姓名：张智攀指导教师：张永强教授申请学位级别：工学硕士学科专业：计算机科学与技术所在单位：信息与电气工程学院授予学位单位：河北工程大学ADissertationSubmittedtoHebeiUniversityofEngineeringFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringResearchonDesignandRealizationofControlSystemforQuadrotorUnmannedAerialVehicleCandidate：ZhangZhipanSupervisor：Prof.ZhangY

4、ongqiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：ComputerScienceandTechnologyCollege/Department：SchoolofInformationandElectricalEngineeringHebeiUniversityofEngineeringMay,2015摘要摘要四旋翼无人飞行器具有垂直起降、定点悬停、机动灵活、带载能力强等独特优势，在军民领域都具有广泛的应用价值。四旋翼无人飞行器是一个非线性、欠驱动、耦合性强的不稳定系统，其飞行控制系统设计一直是研究的

5、难点和热点。本文研究对象为火灾救援四旋翼飞行器，围绕其姿态估计、飞行控制进行了深入研究，针对火灾救援的实际应用需求，开展了四旋翼飞行器的设计与实现研究。首先根据四旋翼飞行器的结构特点和飞行原理，将飞行器六个自由度方向上的运动分为线运动和角运动。通过运动分析建立了飞行器系统动力学模型，并对飞行器的非线性、欠驱动、耦合特性进行了具体分析。四旋翼飞行器的控制系统由姿态测量系统、飞行控制系统组成。姿态测量系统实时采集传感器数据准确估算飞行器的姿态信息。飞行控制系统以控制指令和姿态反馈作为输入，通过姿态控制算法计算出各电机的控制量并发送到电机驱动系统，带动旋翼转动实现飞行的姿态调整

6、。然后，根据系统总体设计方案，搭建了以MEMS传感器、高性能STM32处理器为核心的硬件系统，包括姿态采集、飞行控制、无线通信、避障等功能模块，编写了各个模块的驱动程序，进行大量实验及系统联调测试，最终实现了各功能模块稳定可靠运行，为姿态解算、数据融合、控制算法提供了基础。在姿态估计中，通过对姿态测量传感器模型误差的分析，拟合得到误差补偿方程，利用四元数法对校准后的数据进行姿态解算，然后设计了多传感器数据融合的卡尔曼滤波算法，对飞行器的姿态进行最优估计。在飞行控制中，基于四旋翼飞行器简化模型设计了串级PID控制器，针对飞行器的非线性特性设计了基于反步法的非线性控制器，通过

7、MATLAB仿真对设计的控制算法进行了分析验证。最后，将算法移植到四旋翼飞行器硬件平台中，在实际环境中对飞行稳定性、避障功能进行测试，实验证明了所设计的四旋翼飞行器能够稳定控制飞行姿态，在复杂的环境中能够自动避开障碍物，满足火灾救援的功能要求。关键词：四旋翼无人飞行器；控制系统；多传感器融合；串级PID控制；反步法IAbstractAbstractQuad-rotorisusedwidelyinthefieldofmilitaryandcivilianbecauseofadvantagesofverticaltake-offa