四旋翼飞行器飞行控制系统研究

作     者：丁雪芳 

作者单位：西安科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗晓霞;朱宇

授予年度：2017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 飞行控制 定点飞行 串级PID算法 

摘      要：随着四旋翼飞行器被广泛地应用于航拍摄影、救援救灾、电力巡线、勘探检测等民用和军用领域,它已经越来越被人们所关注,成为近年来研究的热点。本文的主要研究内容是四旋翼飞行器的飞行控制,通过控制算法控制四旋翼飞行器在室内无GPS、北斗等定位信号的情况下达到可以自主定点定高稳定飞行,并保持良好的飞行姿态。首先深入分析了四旋翼飞行器的飞行原理,论述了机体坐标系和惯性坐标系之间的相互转换,欧拉角和四元数之间的相互转换。其次根据四旋翼飞行器的结构特点和飞行控制的需求,进行硬件整体设计,并划分为电机驱动模块、主控制模块、姿态模块、自主定位等模块。选择Arduino UNO和Arduino Nano组成主控制模块,姿态模块选用运动处理传感器MPU-6050负责飞行姿态数据的采集,自主定位模块选定超声波传感器Hc-SR04来传递飞行器的高度,视觉传感器Pixy来传递它的水平位置。此外,对飞行器的机架、电子调速器、无刷电机等主要部件进行硬件选型,搭建出一款实用可靠的四旋翼飞行器。然后,针对其四旋翼飞行器的结构特点和飞行控制需求,设计了飞行控制的软件结构。在经典PID控制的基础上使用位置式双闭环PID控制对飞行姿态、飞行水平位置及高度进行飞行控制,外环反映飞行状态(位移)误差,内环反映飞行状态(速度)误差,为了使最终的输出更加接近期望值,外环的输出再次作为内环的输入,也就是说通过外环和内环双重控制,从而达到使四旋翼飞行器飞行的更稳、更快,室内定位准确,并通过Arduino语言实现了位置式双闭环PID姿态控制和定位控制。最后,在Arduino平台上对各个传感器采集的数据进行误差矫正及融合,对编写的程序进行代码配置。在一个空旷的实验室放置一些目标,对四旋翼飞行器进行飞行姿态控制和室内自主定位控制的联合测试,通过多次飞行试验,运用调试技巧和经验,反复调节PID参数,达到了四旋翼飞行器在无GPS信号的情况下实现室内自主定点的稳定飞行。试飞结果表明,本文所用的位置式双闭环PID控制能够有效地对四旋翼飞行器飞行姿态和室内自主定位飞行进行稳定地控制。