四旋翼无人机飞行控制系统的研究

摘要

四旋翼无人机是近年来无人机研究领域中热门研究机型之一，其体积小、飞行方式灵活、可携带一定载荷等特点使其在军事侦察、航拍、农业植保、电力巡线等方面有着广泛的应用。在电子及材料技术飞速发展的今天，其性能将会有更大的提升空间，其用途将会有更广阔的发展前景，其研究深度和广度将会更进一步拓展。对四旋翼无人机的研究，重点要研究其飞行控制系统，因为飞行控制系统的研究是保证四旋翼无人机安全稳定飞行的关键所在。

本文首先阐述了四旋翼无人机飞行控制系统的研究背景，分析了四旋翼无人机飞行控制系统在国内外的研究现状，并据此明确了本文的主要研究方向和研究内容。在对四旋翼无人机飞行控制系统的研究过程中，从其飞行原理出发，运用空气动力学及力-力矩平衡等原理建立四旋翼无人机的数学模型。根据项目的性能指标和技术要求，采用STM32F407作为主CPU设计了四旋翼无人机的硬件实验平台，STM32F407相对于传统单片机拥有较高的主频，使四旋翼无人机的工作性能得以保证。利用卡尔曼滤波对多传感器数据进行融合得到正确的飞行姿态信息，并以该飞行姿态信息为依据对飞行控制算法进行研究。基于所设计的硬件平台，进行了飞行控制系统的软件设计和控制算法研究，并尝试用PID控制方法增加加速度内环控制解决飞机在降落时产生的地面效应，这是一种新的尝试和研究。

最后进行了大量相关实验并获得了宝贵的实验数据，达到了预期的目标。

关键词：四旋翼无人机卡尔曼滤波PID控制STM32F407

ABSTRACT

Four-rotor unmanned aerial vehicle is one of the hottest research models in the field of UA V in recent years, its small size, flexible flight mode, ability of carrying certain loads, make it have a wide application in military reconnaissance, aerial shoot, agricultural plant protection, electric power patrol line and so on. With the development of electronic and materials technology, it will have greater performance and a wider development, and will be further researched. The research of the four-rotor UA V is focused on its flight control system, because the research of it is the key to ensure a safe and stable flight.

Firstly, this paper expounds the research background of the flight control system of four-rotor UA V, analyzes the research actuality of it at home and abroad, and then makes clear the main research direction and research content of this paper. In the research process of it, the mathematic model of four-rotor UA V is established by using the principle of aerodynamic and force-torque equilibrium. According to the performance index and technical requirements of the project, the hardware experiment platform of UA V is designed by using STM32F407 as main CPU, STM32F407 compared

with the traditional MCU has a high frequency, so that the performance of UA V can be guaranteed. By using Kalman filter, the data of multi-sensor is fused to obtain the correct flight attitude information, and the flight control algorithm is researched based on the attitude information. Based on the hardware platform designed, the software design and control algorithm of flight control system are researched, and the PID control method is used to increase the acceleration internal loop control to solve the ground effect of aircraft landing, which is a new attempt and research.

Finally, a lot of experiments were carried out and valuable experimental data were obtained, and the expected target was achieved.

Key words：Four-rotor unmanned aerial vehicle Kalman filter PID control

STM32F407

摘要......................................................................................................... I I 1绪论. (1)

1.1研究背景 (1)

1.2国内外研究现状 (4)

1.3研究的目的及意义 (6)

1.4本文的主要研究内容 (6)

2 无人机的飞行原理及数学模型 (8)

2.1引言 (8)

2.2无人机飞行原理及运动模式 (8)

2.3四旋翼无人机的数学模型 (10)

2.4本章小结 (17)

3无人机硬件平台搭建 (18)

3.1引言 (18)

3.2四旋翼无人机硬件平台设计思路 (18)

3.3主飞行控制器的设计 (19)

3.4传感器单元的设计 (20)

3.5硬件平台搭建 (26)

3.5本章小结 (28)

4传感器数据预处理与多传感器的数据融合 (29)

4.1引言 (29)

4.2传感器数据预处理 (29)

4.3传感器数据滤波 (42)

4.4扩展性卡尔曼滤波算法 (47)

4.5本章小结 (50)

5四旋翼无人机控制算法及软件设计 (51)

5.1引言 (51)

5.2四旋翼无人机控制算法 (51)

5.3地面效应及解决方案 (58)

5.4软件设计 (61)

5.5本章小结 (65)

6总结与展望 (66)

6.1本文研究工作总结 (66)

6.2存在问题和后期研究方向 (66)

致谢 (68)

参考文献 (69)

1绪论

1.1研究背景

本课题来源于本人参与的无人机自主飞行及集编队飞行的研发项目，该项目可用于商业表演、目标搜索、多方位多角度对地监控等。所使用的无人机为多旋翼无人机。

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，缩写UA V），通常指的是利用无线电遥控设备和自备的程序控制操纵的不载人的飞行器[1]。从翼型、外观及起降方式等角度对无人机进行分类，无人机可以分为：多旋翼无人机、固定翼无人机、无人直升机、扑翼无人机、垂直起降机、飞艇等。常见的无人机有多旋翼无人机、固定翼无人机和无人直升机。与多旋翼无人机相比较，固定翼无人机一般体积较大，结构更为复杂，难以实现在空中某一固定位置较长时间悬停；相较于多旋翼无人机，无人直升机则在操作和控制上更为复杂，常常需要配备更高级的飞手对直升机进行操控，因此多旋翼无人机的民用价值更大。随着单个无人机研究的深入和发展，多个无人机协同飞行的研究也渐渐成为热门，其中多无人机的协同控制及编队飞行为多无人机研究的重点。集编队飞行在学术领域及国防领域都有涉及，此外最近Intel公司将该技术应用于商业表业之中，举行了一次500架无人机的编队集表演，其采用的无人机型即为四旋翼无人机。在编队集飞行表演方面，多旋翼无人机相比于其他几种无人机型具有体积小、重量轻、携带方便、场景适应性强等优势，从而成为无人机集编队表演飞行项目的首要研究的对象，也是无人机领域中的研究热门之一[2][3]。

多旋翼无人机（Multi-Rotor Aircraft，MRA）是指由对称分布在机体四周、正反转成对且个数一般大于等于四的旋翼提供飞行所需升力、可机载通信设备、影像设备以及各种分析取样设备等有效工作载荷，并能实现自主飞行完成预定任务且可重复使用的不载人航空飞行器。多旋翼无人机结构紧凑，动力利用效率高，四只或四只以上的螺旋桨产生的扭矩可以相互抵消，无需像无人直升机一样有专门的反扭矩旋翼，且其利用空气动力来克服自身重量，可以轻松实现自主或遥控飞行。常见的多旋翼无人机有四旋翼无人机、八旋翼无人机等。由于其具有体积小、造价低、对使用环境要求低、机动能力强、安全性能好不易造成人员伤亡等

本文发布于:2024-09-20 14:30:37，感谢您对本站的认可！

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