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微型四旋翼无人机的搭建与姿态控制

徐芳俊  
【摘要】:微型四旋翼无人机是一种具有四个固定螺旋桨交叉分布,并且通过四个螺旋桨提供动力来实现各种姿态飞行的无人飞行器。其体积小、结构简单、安全性高,可以完成超低空侦察、干扰、监视等许多复杂任务,目前正成为人们研究的焦点。 本课题搭建了微型四旋翼无人机的飞行平台,设计并实现了一种基于Cortex-M4内核芯片STM32F407为核心的飞行控制系统,并对悬停和低速飞行状态下的姿态控制进行探索性研究。具体工作如下: 针对微型四旋翼无人机的空气和动力学特点,建立了飞行器的空气动力学方程,分析了飞行基本原理,并建立了飞行器的基本坐标系; 针对双CPU之间的通信问题,设计并实现了一种基于并口通信方案的数据交换方案,自定义了相关通信协议,实现了一种简便可行的方案; 对微型四旋翼无人机硬件模块进行了详细的设计,分析了各模块的设计要求与原理,设计并完成了飞控PCB板; 重点研究了微型四旋翼无人机的姿态控制。首先,设计了小角度下的Backstepping姿态控制律并采用Matlab进行仿真验证。在分析此姿态控制律的局限性后,提出了改进型Backstepping姿态控制律,进行了相应的仿真验证,仿真后控制效果较为明显; 研究了两种姿态解算与姿态融合的两种方法,即互补滤波法和DMP融合法。分别对其进行设计与验证,经实验验证,对于本课题而言DMP法较为有效; 最后,软件设计飞行控制系统,并用已搭建的飞行器模型平台进行在线调试,从而验证了算法的可行性。


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