飛行器自主控制技術研究

摘要

隨著自動控制技術和智能決策技術的不斷發展，無人機憑借其低成本，零傷亡，可重復使用和高機動等優點，成為了當代戰爭的重要作戰工具之一，有著不可替代的作用。旋翼式飛行器作為一種無人機，其起飛和降落所需空間較少，在障礙物密集環境下的操控性較高，以及飛行器姿態保持能力較強的優點，在民用和軍事領域都有廣泛的應用前景。尤其是近年來對四旋翼飛行器的研究成果較多，融合了自動控制、傳感以及計算機科學等諸多技術，成為了未來無人機的主要發展趨勢，并成為目前重點的研究對象。

由于四旋翼飛行器具有體積小、重量輕、功耗低、具有多變量、非線性、強耦合、欠驅動等特性，其控制問題一直是該領域的研究重點。本論文的主要工作如下：

1）本文首先對小型四旋翼飛行器的國內外研究現狀進行了簡單的介紹；介紹四旋翼無人飛行器涉及的關鍵技術，設計了四旋翼無人飛行器整體結構，包括四旋翼無人飛行器的機械結構、控制系統硬件，搭建四旋翼無人飛行器研究平臺。

2）對四旋翼無人飛行器進行力學分析，以小型四旋翼飛行器為實際對象，對四旋翼的建模和控制方法做了研究。根據對四旋翼飛行器的機架結構和動力學特性做詳盡的分析和研究，在此基礎上建立四旋翼飛行器的動力學模型，四旋翼飛行器有各種的運行狀態，并對飛行器進行力學分析。

3）通過選取四旋翼無人飛行器在運動過程中的受力分析，完成對其動力學模型的建立，通過對傳遞函數做適當簡化得到了系統仿真模型。進一步推出四旋翼無人飛行器在旋轉運動和直線運動上的傳遞函數，針對現有四旋翼無人飛行器結構，建立機體坐標系，為四旋翼無人飛行器的飛行控制器的設計提供了可靠的控制模型。

4）通過Matlab中的Simulink模塊，分別對姿態回路PI控制算法、姿態和位置回路的PID控制算法和積分分離PID控制算法進行了仿真，通過對PID飛行控制算法進行Matlab仿真可知，四旋翼無人飛行器在PI、PID、積分分離PID控制算法下是可控的。

通過仿真觀察到飛行器能夠基本達到穩定飛行的目的，不過在在實際檢測系統中還是容易受到干擾，所以還是需要必要的控制。再驗證了控制算法的有效性，并提出改進意見和方法。

關鍵詞：四旋翼無人飛行器，動力學模型，PID控制

ABSTRACT

....

Keywords：Quadrotor UAV； Dynamic model； The PID control

目錄

摘要I

ABSTRACTII

第一章 緒論3

1.1 研究背景與意義3

1.2 國內外研究現狀4

1.3 發展趨勢5

1.4 關鍵技術解析6

1.5 研究目的及意義7

第二章 四旋翼飛行器硬件結構9

2.1 四旋翼飛行器介紹9

2.2 四旋翼飛行器的結構形式和工作原理10

2.2.1 結構形式10

2.2.2 工作原理11

2.3 旋翼空氣動力學13

2.4 機身設計15

2.4.1 材料選擇與加工方法16

2.4.2 控制電路設計19

2.5 主控制器選型及電路連接20

2.5.3 航姿參考系統的硬件電路設計22

第三章 四旋翼飛行器動力學模型24

3.1 常用坐標系24

3.2 四旋翼直升機動力學方程24

3.3 動力學方程的建立26

3.4 四旋翼無人飛行器建模30

3.4.1 建立動力學模型必要性30

3.4.2 旋翼無人飛行器建模30

第四章 四旋翼飛行器控制算法研究36

4.1 仿真平臺36

4.2 PID控制原理36

4.3 PID 控制算法37

4.3.1 陀螺儀數據PI控制算法37

4.3.2 PID控制算法39

4.3.3 積分分離PID控制算法40

4.4 控制算法仿真43

4.4.1 PI 控制仿真43

4.4.2 PID 控制仿真45

第五章 總結48

5.1 論文總結48

5.2 展望48

致謝50

參考文獻51

畢業設計小結54