四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真

作     者：乔维维 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨风

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：四旋翼飞行器 FPGA 捷联式惯导 飞行控制系统 动力学模型 

摘      要：四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器。近些年来，随着飞行控制理论、机电一体化技术、传感器技术等的飞速发展，四旋翼飞行器的应用前景越来越广阔，并受到了越来越广泛地关注。 本文针对一种四旋翼飞行器，根据其动力学特性建立了数学模型，并以CycloneⅡEP2C8Q208C型号的FPGA芯片为控制核心，设计了四旋翼飞行控制器的硬件系统，最后通过实验仿真进行了性能测试和结果分析。本文完成了如下的主要工作： 将四旋翼飞行控制系统分成旋翼控制子系统、传感器子系统和通信子系统，通过分析其飞行原理，对各个子系统的结构、整体硬件电路进行了设计。 应用捷联式惯性导航原理设计了飞行器的导航系统，整合传感器采集到的数据使其准确的反映出飞行器当前的飞行姿态，用于下一步的姿态控制。为解决导航系统姿态角缓慢发散的缺陷，本文给出了姿态角的校正方法，通过实验验证了校正方法的有效性。 对所设计的四旋翼飞行器建立了系统的数学模型，从动力学和运动学两方面分析其系统特性，得到了飞行器的运动方程。 飞行器的姿态控制是整个飞行控制系统的最主要部分，四旋翼飞行器实际上是通过四个电机转动输入来实现三轴姿态和位置等六个被控量的输出，是一个典型的欠驱动系统。本文使用经典PID控制算法对四旋翼飞行器姿态角和位置做了闭环控制，运用MATLAB/simulink搭建了飞行器的仿真系统。通过仿真实验，结果表明该控制算法对姿态的控制效果良好，验证了所设计的控制系统的有效性。