四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
四旋翼无人机地面监控系统的研究与设计的开题报告
四旋翼无人机地面监控系统的研究与设计的开题报告一、选题背景随着无人机技术的快速发展，无人机已广泛应用于农业植保、航拍摄影、快递物流等领域。
同时，无人机也逐渐渗透到安全监控和应急救援等领域，如四旋翼无人机地面监控系统。
该系统通过无人机的监控摄像头，对一定区域的环境进行监测和采集，从而实现对现场的及时监管和数据实时传输，提高人们的安全保障水平。
二、研究目的与意义本课题旨在研发一种基于四旋翼无人机的地面监控系统，该系统可在各类场合下，通过对无人机的远程控制和图像采集，对目标区域进行全方位、高清晰度的实时监控，为该区域的保安及管理提供可靠的支持与保障，满足不同用户的应用需求，广泛应用于安保、环保、农业等多个领域。
三、研究内容1.了解四旋翼无人机的构造原理，包括无人机的硬件构造和软件控制等方面的知识。
2.研究四旋翼无人机的遥控器控制技术，并开发相应的遥控程序。
3.研究四旋翼无人机的图像采集技术，包括图像传输、图像处理等方面的知识，并开发相应的图像采集程序。
4.研究四旋翼无人机的无线通信技术，包括无线数据传输、视频传输等方面的知识，并开发相应的通信程序。
5.设计系统的整体框架，并进行系统测试和性能分析。
四、研究方法1.采用文献资料法，了解相关技术知识和市场需求，确定无人机地面监控系统的主要功能和技术要求；2.采用实验研究法，设计并开发无人机控制程序、图像采集程序和通信程序，进行系统调试和性能优化。
3.采用案例分析法，对系统典型应用案例进行分析和评估，提升系统的实用价值和市场竞争力。
五、预期成果1.建立基于四旋翼无人机的地面监控系统的软硬件框架；2.研究开发四旋翼无人机的遥控程序、图像采集程序和通信程序，并进行系统调试；3.系统测试和性能分析，评估系统的功能、稳定性和安全性；4.开发两个完整的系统应用案例，并进行系统分析和优化；5.论文撰写和口头答辩。
六、研究难点1.四旋翼无人机遥控器控制技术的研究和开发2.无人机图像采集技术的研究和开发3.无线数据通信技术的研究和开发4.系统性能评估和优化七、进度安排1.文献资料的收集和研究——预计耗时1周2.设计系统框架，确定系统的主要功能——预计耗时1周3.开发遥控程序、图像采集程序和通信程序——预计耗时3周4.系统测试和性能分析——预计耗时2周5.开发应用案例，进行系统分析和优化——预计耗时3周6.论文撰写和口头答辩——预计耗时2周。
小型四旋翼低空无人飞行器综合设计
3、传感器应用
传感器技术在小型四旋翼低空无人飞行器中扮演着重要的角色。通过使用多种 传感器，可以实现飞行器的定位、导航、控制等功能。为了保证数据的准确性 和可靠性，需要对传感器进行定期校准和维护。
实验结果与分析
通过仿真实验，本次演示提出的混合控制方法取得了显著的实验效果。在轨迹 跟踪实验中，飞行器能够快速准确地跟踪给定的轨迹，具有良好的动态性能和 稳定性。此外，通过与单一控制方法的对比实验，本次演示提出的混合控制方 法在跟踪精度和稳定性方面均表现出明显的优势。
结论与展望
本次演示针对四旋翼无人飞行器的非线性控制问题，提出了一种基于鲁棒控制 和滑模控制的混合控制方法。通过仿真实验验证了该方法的有效性。然而，仍 然存在一些不足之处，例如对飞行器的动态特性分析不够准确、控制系统的实 时性有待提高等。
设计思路
1、总体设计
小型四旋翼低空无人飞行器主要由机身、旋翼、遥控器等部分组成。机身采用 轻量化材料制成，以减小飞行器的重量，便于携带；旋翼则由四个电机驱动， 以实现飞行器的稳定飞行；遥控器则用于控制飞行器的飞行轨迹和高度。
2、硬件设计
硬件配置是小型四旋翼低空无人飞行器的核心部分，主要包括电池、传感器、 遥控设备等。电池选用高容量、轻量化的锂离子电池，以延长飞行器的续航时 间；传感器则采用GPS、加速度计、陀螺仪等，以实现飞行器的定位、导航和 控制；遥控设备则选用2.4GHz遥控器，以实现遥控设备的无线传输。
小型四旋翼低空无人飞行器综 合设计
01 引言
03 参考内容
目录
微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究
第１页
国防科学技术大学研究生院学位论文 ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｍｉｃｒｏ／ｍｉｎｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｉｓ ａｌｌ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ，ｎｏｖｅｌ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔａｋｅ－ｏｆｆａｎｄ ｌａｎｄｉｎｇ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ ＶｅｈｉｅｌｅｆＯＡＶ）ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｍｉｌｉｔａｒｙ ａｎｄ ｃｉｖｉｌｉａｎ ｕｓａｇｅｓ．Ｂａｓｅｄ ＯＲ ａ ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ，ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ／ｍｉｎｉ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓ ｏｎ ｉｔｓ ｓｐｅｃｉａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｍａｉｎｌｙ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｏｎ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎ仕ｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｔａｔｅ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ．Ｓｏｍｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ
ｓ协ｎ酊ｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ａｒｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ．
Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ Ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ Ｃｏｎ廿ｏｉｌｅｍ（ＡＤＲＣ）ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅｎ ｓｔａｔｅｓ ｏｆｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｏｒ ｔｏ ｓｔａｂｉｌｉｚｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｆｌｉｇｈｔ ｈｅｉｇｈｔ；ｔｈｅ ＰＤ－ＡＤＲＣ ｄｏｕｂｌｅ ｄｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ａｒｅ ｉｎ仃ｏｄｕｃｅｄ ｔｏ ｄｉｍｉｎｉｓｈ ｔｈｅ ｚｅｒｏ ｄ）ｍ珊ｎｉ晦ｔｈｅｎ ｔｈｅ Ｌｙａｐｕｎｏｖ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｏ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｃｄ’ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｑｕａｄｒｏｔｒ ｃａｌｌ ｈｏｖｅｒ．１１圮ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｓｅ
四旋翼无人机控制系统设计与实现
四旋翼无人机控制系统设计与实现四旋翼无人机是一种结构简单、操作灵活的垂直起降无人机。
首先分析了四旋翼无人机的基本运动原理，然后以APM飞控计算机为核心，结合GPS定位芯片、陀螺仪、加速度计、航向计、无线数据电台等装置，进行了微型四旋翼无人机的系统集成。
分析了包括位置回路和姿态回路的双闭环控制结构的四旋翼无人机的控制逻辑与控制规律。
在进行传感器标定、参数整定等工作的基础上，对无人机进行了综合调试。
最终实现了无人机的稳定可靠飞行，具有良好的姿态控制、轨迹控制能力，各项性能指标符合设计要求。
标签：四旋翼无人机；PID控制；飞行控制；姿态控制；轨迹控制Abstract：The four-rotor unmanned aerial vehicle（UA V）is a kind of vertical take-off and landing UA V with simple structure and flexible operation. In this paper，the basic principle of motion of the four-rotor UA V is analyzed，then the APM flight control computer is used as the core，and the GPS positioning chip，gyroscope，accelerometer，heading meter，wireless data radio and other devices are combined. The system integration of micro quad-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）is carried out. The control logic and control law of the four-rotor unmanned aerial vehicle （UA V）with double closed-loop control structure including position loop and attitude loop are analyzed. On the basis of sensor calibration and parameter tuning，the UA V is comprehensively debugged. Finally，the UA V can fly stably and reliably，and it has good attitude control and trajectory control ability，and all the performance indexes meet the requirements of design.Keywords：four rotor UA V；PID control；flight control；attitude control；trajectory control1 概述四旋翼無人机是一种非共轴、多旋翼式无人机，改变四个旋翼产生的升力大小就可以实现姿态稳定及飞行控制，其结构简单，体积较小，且飞行平稳、隐蔽性好，可用于救援搜索、侦查监控、探查航拍等任务，具有重要的研究价值和广阔的应用前景[1]。
基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统研究与设计
摘要小型四旋翼无人飞行器由于具有精确悬停、垂直起降以及机械结构简单等特点，已经成为众多研究机构的研究热点，无论是在军事领域，还是在民用领域，四旋翼无人机都有着广泛的应用。
由于四旋翼无人飞行器是一个具有6自由度和4个控制输入的欠驱动系统，其数学模型具有强耦合、非线性、多变量等特点，以及建模不精确和外部干扰等不确定因素，均使得飞行控制复杂化。
因此本文以反步法为基础，结合不同策略，研究与设计了四旋翼飞行器的控制系统，并利用仿真实验验证与分析了所设计系统的飞行性能。
首先，将四旋翼无人飞行器看作刚体，选取合适的坐标系，分析了四旋翼无人飞行器空气动力学特性和飞行原理，在此基础上，推导并建立四旋翼飞行器的数学模型。
其次，在不考虑不确定因素的情况下，详细分析了基于反步法的四旋翼无人飞行器飞行控制系统的设计。
设计过程中，将四旋翼的控制系统结构分为位置环路和姿态环路分别进行设计。
接着，针对飞行器姿态环路存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和RBF神经网络的控制策略。
利用RBF神经网络对任意非线性连续函数具有逼近的特点，在控制系统设计过程中在线估计出复合干扰，同时对于逼近误差进行了补偿。
最后，针对在位置和姿态环路均存在复合干扰的情况下，论文采用了基于反步法和ESO的控制策略。
为避免反步设计过程中出现“微分爆炸”现象，提出了动态面策略，以及为提高系统鲁棒性，采用了滑模面；为减轻控制系统的复杂计算，对于系统中出现的复合干扰项，提出了ESO方法对其在线实时估计，并在控制律设计中实时补偿。
关键词：四旋翼无人飞行器，反步法，RBF神经网络，扩张状态观测器，复合干扰，轨迹跟踪ABSTRACTDue to its advantages such as precise hovering, vertical taking off and landing (VTOL), and simple mechanical structure, the quadrotor unmanned aerial vehicle(UA V) has become hotspot in the unmanned aerial vehicle area, and whether in the military field or in the field of civil, the vehicle has been widely used. The vehicle is a typical uneractuated system, and it has six degrees of freedom and four control input. The mathematical model has the characteristics of strong coupling, nonlinear, multivariable, and modeling imprecision and uncertainty factors such as external disturbance, are complicated flight control. So this paper adopts control method based on the backstepping to study and design the flight control system of the vehicle and through the simulation to the control system analysis and verification.Firstly, this paper takes the vehicle as a rigid body, selects the appropriate coordinate system, and analyzes the aerodynamic characteristic and the flying principle. On this basis, the mathematical model of the vehicle is derivated and established.Secondly, without considering various uncertain factors, this paper introduces in detail the flight control system design based on the backstepping. In the design process, the whole control structure can be divided into position loop control and attitude loop to design respectively.Thirdly, for the aircraft attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. Using the characteristic of the RBFNN to approximate arbitrary nonlinear continuous function to estimate the compound disturbance online and compensate the approximation error. The controller can guarantee the vehicle to track the desired trajectory.Finally, for the position loop and attitude loop under the existence of the compound disturbance, this paper adopts the backstepping and RBFNN strategy. For avoiding the complex calculation, the interference is observed by ESO online and the algorithm composites the interference in the control law. For avoiding the problem of “explosion of terms” in backstepping control and improving the robust, the dynamic surface control method and the sliding mode surface are applied to design the controller.KEY WORDS：Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle, Backstepping, Netural Network, Extended State Observer, Compound Interference, Trajectory Tracking目录摘要 (I)ABSTRACT .................................................................................................................. I I 第1章绪论 (1)1.1 论文的研究背景与意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状 (2)1.2.1 四旋翼飞行器的应用研究现状 (2)1.2.2 四旋翼飞行器的控制算法研究现状 (8)1.3 论文主要内容与论文结构 (9)第2章小型四旋翼无人飞行器的建模 (11)2.1 四旋翼飞行器的机体结构和飞行原理 (11)2.1.1 四旋翼飞行器的机体结构 (11)2.1.2 四旋翼飞行器的飞行原理 (12)2.2 四旋翼飞行器的数学模型 (12)2.2.1 坐标系分析 (13)2.2.2 四旋翼飞行器的空气动力和力矩分析 (14)2.2.3 四旋翼飞行器的位置子系统模型 (15)2.2.4 四旋翼飞行器的姿态子系统模型 (15)2.3 本章小结 (16)第3章基于反步法的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (17)3.1 反步法基本概念 (17)3.1.1 李雅普诺夫稳定性 (17)3.1.2 反步法及其稳定性 (18)3.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (20)3.2.1 姿态回路控制律设计 (22)3.2.2 位置回路控制律设计 (23)3.3 仿真分析 (24)3.4 本章小结 (27)第4章基于反步法和RBFNN的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (29)4.1 RBF神经网络基本概念 (29)4.1.1 RBF神经网络结构 (30)4.1.2 RBF神经网络的逼近 (31)4.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (32)4.2.1 位置环路控制律设计 (34)4.2.2 姿态环路控制律设计 (35)4.3 仿真分析 (38)4.4 本章小结 (40)第5章基于反步法和ESO的小型四旋翼无人飞行器飞行控制系统设计 (43)5.1 扩张状态观测器(ESO)以及相关基础知识 (44)5.1.1 ESO的设计及其误差有界性分析 (44)5.1.2 动态面策略 (46)5.2 四旋翼飞行器飞行控制系统设计 (47)5.2.1 位置环路控制律设计 (48)5.2.2 姿态环路控制律设计 (49)5.3 仿真分析 (52)5.4 本章小结 (55)第6章总结与展望 (57)6.1 论文总结 (57)6.2 论文展望 (58)参考文献 (59)发表论文和科研情况说明 (63)致谢 (65)第1章绪论第1章绪论在本章中首先简单描述了四旋翼无人飞行器的研究背景和意义，其次简单介绍了四旋翼无人机的发展历程以及目前的发展现状，最后概述了本论文的内容安排和论文的结构安排。
四旋翼飞行器动力控制系统研究与设计
力， 男。Ｅｍ ｉ １５ ２２ ２ ｑ ｃｒ。 — ａ ： ９ ３６ ＠ｑ ．ｏ ｌ８ ｎ
分量 将 克服 重力 ， 飞行 器则 在水 平分 量作 用下 飞行 。
６ ８ ０８
科
学
技
术
与
工
程
１ ２卷
同理 ， 减小 ２（ ） 转 子转 速 的 同 时 ， 加 ４ 在 ４号 增 （） ２ 号转 子转 速 ， 使得 飞行平 台 向右 （ ） 将 左 飞行 ， 同
因此在 设计 中 采 用 了体 积 小 、 量 轻 、 率 高 和 可 重 效 靠 性好 的 无 刷 直 流 电 机 ， 设 计 以 ＭＥ Ａ 并 Ｇ ８单 片 机 为 核心 的电机驱 动控 制 系统 。 四旋 翼 飞 行 器 的悬 停 、 进 后 退 、 转 等 各 种 前 旋 动作都 是 由 四个 转 子 的 速 度 决 定 。 当 四个 转 子 转
阻分压 网络 ， 采样 电压 接 入 ＭＥ Ａ Ｇ ８的 Ａ Ｃ Ｄ ７通 道 ， 可 以测 得 电池 电压 。
２ ３ 换 相控 制 ． 新 西达 Ｘ Ｄ ２ Ｘ ２ １ ２电机 采用 三相 星形联 结 ， 个
有 很好 的发 展前 景 ， 。
子产 生 的反扭 矩 能基 本 抵 消 ， 因而 不需 要 传统 直 升
机 的尾翼 。
四旋 翼 飞 行 器 由 电池 驱 动 电 动 机 产 生 动 力 。 传 统 的直 流 电动 机 均 采用 电刷 ， 以机 械 方 法 进 行 换 向， 因而存 在 机 械 摩 擦 ， 由此 带来 了噪 声 、 花 、 火 无 线 电干 扰 、 寿命 短 、 造 成本 高及 维 修 困难 等 缺 点 。 制
第 ｌ ２卷
第２ ４期
２ １ ８月 ０２年
四旋翼飞行器有限时间super-twisting滑模控制方法与流程
四旋翼飞行器有限时间Super-Twisting滑模控制方法与流程一、引言随着无人机技术的快速发展，四旋翼飞行器因其结构简单、操作灵活等优点，在军事、科研、娱乐等领域得到了广泛的应用。
然而，由于其非线性、不确定性以及外部干扰等因素，使得四旋翼飞行器的稳定控制成为了一个具有挑战性的研究课题。
因此，本文提出了一种基于有限时间Super-Twisting滑模控制方法，以解决这个问题。
二、四旋翼飞行器模型四旋翼飞行器的动力学模型主要包括六个状态变量：位置(x, y, z)、角度(ψ, θ, φ)和速度(u, v, w)，通过牛顿-欧拉方程进行描述。
三、有限时间Super-Twisting滑模控制方法有限时间Super-Twisting滑模控制是一种自适应控制策略，它可以在有限时间内消除系统误差，并且对系统不确定性和外部干扰具有很强的鲁棒性。
1. 设定滑模面：选择合适的滑模函数S，使其在平衡点处为零。
2. 设计切换函数：根据滑模面设计切换函数，使系统能够在平衡点处稳定。
3. 采用Super-Twisting算法：利用Super-Twisting算法来估计系统的不确定性，并将其用于控制器的设计。
四、控制流程1. 初始化：设定初始状态和参数。
2. 计算滑模面：根据当前状态计算滑模面S。
3. 设计切换函数：根据滑模面设计切换函数。
4. 估计不确定性：利用Super-Twisting算法估计系统的不确定性。
5. 控制律设计：根据切换函数和不确定性估计，设计控制律。
6. 更新状态：根据控制律更新系统状态。
7. 判断是否达到平衡点：如果滑模面S为零，则到达平衡点，结束；否则返回步骤2。
五、结论本文提出的基于有限时间Super-Twisting滑模控制方法能够有效地解决四旋翼飞行器的稳定控制问题，提高其动态性能和鲁棒性。
在未来的工作中，我们将进一步优化控制策略，提高控制精度和效率。
四旋翼无人机控制方法研究
四旋翼无人机控制方法研究随着科技的不断发展，无人机已经成为了现代航空技术的一个重要组成部分。
四旋翼无人机由于其灵活性和易于操控的特点，已经成为了航拍、物流、农业、应急等领域的重要工具。
然而，四旋翼无人机的控制问题一直是无人机研究的热点之一。
本文将从四旋翼无人机的基本结构、运动模型和控制方法三个方面来探讨四旋翼无人机的控制方法研究。
一、四旋翼无人机的基本结构四旋翼无人机是一种翼展非常小的无人机，其基本结构包括四个旋翼、机身和飞控系统。
四个旋翼均匀分布在机身四个角落，通过无刷电机驱动旋翼快速旋转产生升力和推力。
机身部分包含电池、航空电子设备、传感器等。
飞控系统负责控制四旋翼无人机的姿态、定位和航线飞行等。
二、四旋翼无人机的运动模型为了更好地控制四旋翼无人机，需要首先了解其运动模型。
四旋翼无人机可以看作是一个刚体，其运动状态可以用欧拉角（俯仰角、翻滚角、偏航角）来描述。
四旋翼无人机的运动可以分为三个方向：竖直方向、水平方向和偏航方向。
其中，竖直方向的运动由四个旋翼同时产生的升力控制；水平方向的运动由旋翼的扭矩和倾斜控制实现；偏航方向的运动由旋翼的产生的气流的方向控制。
三、四旋翼无人机的控制方法1. 经典PID控制方法PID控制器是一种经典的控制器，其输出信号取决于误差信号（当前值与目标值之间的差异）、偏差信号（当前误差与前一次误差的差额）和积分信号（误差信号的总和）等。
经过连续地调节PID控制器的参数，可以实现四旋翼无人机的稳定控制。
2. 自适应控制方法自适应控制方法能够根据环境和被控对象的变化自动调整控制参数，适应各种不同情况。
这种方法可以提高系统的适应性和鲁棒性，但是需要较为复杂的算法和模型。
3. 模型预测控制方法模型预测控制方法是一种较为新颖的控制方法，其基本思想是通过构建四旋翼无人机的运动模型来预测其未来的运动轨迹，并通过优化预测结果来进行控制。
这种方法可以提高四旋翼无人机的控制精度和效率，但需要较高的计算能力和精确的运动模型。
四旋翼无人机设计
四旋翼无人机设计四旋翼自主飞行器是一种能够垂直起降、多旋翼式的飞行器，其通过自带电源驱动电机来提供动力。
它在总体布局上属于非共轴式碟形飞行器，与常规旋翼式飞行器相比，因其四只旋翼可相互抵消反扭力矩的优点，而不需要专门的反扭矩桨从而使其结构更为紧凑，能够产生更大的升力。
同时又因其具有灵活性高、要求的飞行空间小、能源利用率高、隐蔽性强以及安全性能高等优势，特别适合在近地面环境（如室内、城区和丛林等）中执行监视、侦查等任务，其在军事（电子战）和民用（通信、气象、灾害监测）方面都有很大的应用前景。
另外，新颖的外形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能及独特的飞行控制方式（通过控制四只旋翼的转速实现飞行控制）使其对广大科研人员具有很强的吸引力，成为国际上新的研究热点。
四旋翼飞行器按照四只旋翼和机架布置的方式其飞行控制平台（机架）可以分为十字模式和X模式。
X模式比十字模式灵活，但是对于姿态测量和控制的算法编程来说，十字模式较X模式简单，更容易实现。
X模式通过同时控制两对旋翼转速的大小来实现飞行控制及姿态的调整，而十字模式只要同时控制一对旋翼的转速就能实现相应的飞行动作。
十字模式容易操作，飞行平稳，综合考虑采用十字模式。
四旋翼自主飞行器是由安装在十字型刚性结构的四个电机作为驱动的飞行器。
控制器通过调节四个电机的转速使四个旋翼间出现特定的转速差从而实现飞行器的各种动作。
由于四旋翼自主飞行器是通过增大或减小四只旋翼的转速达到四个方向升力的变化进而控制飞行器的飞行姿态和位置的稳定，相对于传统的直升机少去了舵机调节平衡、控制方向，并且不用改变螺旋桨的桨距角，使得四旋翼自主飞行器更容易控制。
但是四旋翼自主飞行器有六个状态输出，即是一种六自由度的飞行器，而它却只有四个输入，是一个欠驱动系统。
也正是由于这个原因使得四旋翼自主飞行器非常适合在静态及准静态的条件下飞行。
四旋翼自主飞行器飞行控制系统由飞行控制器、各类测量传感器装置、驱动电机、被控对象（飞行器机体）等部分组成，如图1。
四旋翼无人飞行器混合控制系统研究夏国清
ISSN 1001-9081 CODEN JYIIDU
2013-03-01 http: / / www． joca． cn doi： 10． 3724 / SP． J． 1087． 2013． 00858
［3 ］ 了大量方法： Benallegue 等 使用反馈线性化方法对四旋翼
Research on hybrid control system of quadrotor UAV
XIA Guoqing1 ，LIAO Yuefeng1 ，WANG Lu2
( 1 ． Automation College， Harbin Engineering University， Harbin Heilongjiang 150001 ，China; 2 ． College of Electronic Information and Electric Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240 ， China)
［1 － 2 ］。ຫໍສະໝຸດ 真结果表明， 本文设计的自适应高度控制
器能够有效减少四旋翼无人飞行器质量不确定对高度控制带 来的影响， 并且能够在线估计出无人飞行器的质量 。
1
1． 1
系统原理与数学模型
四旋翼无人飞行器 四旋翼无人飞行器由固联在刚性十字交叉结构上的 4 个
。
近年来， 各国学者针对四旋翼无人飞行器控制问题提出
应的混合控制方法。该方法通过一个状态反馈控制器实现飞行器 的 水 平 位置和 航 向 控制， 考 虑 到 飞 行 器 负载的 未 知 特性， 通过径向基函数( RBF) 神经网络对飞行器质量进行估 计， 从 而 实现 对 高 度的 精 确 控制。 仿真 分 析 及 验 证 表明， 所提出的控制方法能够有效实现飞行器高度的精确控制， 并能够在线估计出飞行器质量参数。 关键词： 四旋翼无人飞行器; 混合控制; 神经网络; 自适应控制; 径向基函数 中图分类号： TP273． 2 文献标志码： A
四旋翼无人机研究现状及研究意义
四旋翼无人机研究现状及研究意义虽然目前四旋翼飞行器因为自身诸多优点吸引了很多研究者的注意, 并且己经被应用到各种领域, 但是在技术方面依然存在很多难题需要克服。
其中, 最为关键的问题便是飞行控制问题, 在设计控制策略方面主要存在两个方面的困难:第一, 难以对其建立精确的数学模型。
和一般飞行器一样, 四旋翼飞行器在飞行过程中, 不仅要受到重力、空气动力、本体升力等作用, 还要受到未知并且变化的气流等外部干扰的影响, 这导致很难获得准确的气动性能参数, 从而难以建立精确有效的数学模型, 大大阻碍了设计控制效果优良的控制策略的设计。
第二, 四旋翼飞行器是一个典型的多输入多输出(MIMO)、非线性、强耦合的欠驱动系统, 同时对干扰比较敏感, 这大大增加了控制的难度, 使得飞行控制系统的设计变得非常困难。
针对四旋翼飞行器, 目前主要有三种控制策略：局部线性化、非线性控制和智能控制。
(1)局部线性化方法局部线性化方法是基于线性化的思想, 首先将四旋翼飞行器的非线性模型通过小扰动模型思想或者局部线性化的思想转化为线性模型, 然后基于线性控制方法设计控制器, 其主要包括传统PID控制和最优LQR控制。
PID控制基本思想是将四旋翼飞行器的模型分为化个独立的线性化通道, 并分别对每个通道设计PID控制律, 步骤简单, 易于实现。
例如, Salih设计了一种PID控制器对四旋異飞行器进行飞行控制, 他将四旋翼系统分为全驱动和欠驱动通道, 分别对两个通道设计ＰＩＤ控制器, 并通过仿真证明了控制器的有效性[8]。
LQR(Linear Quadratic Regulator)即线性二次型调节器是一种最优控制策略, 基本思想是在满足性能函数取得最优值的约束下, 根据相应原理设计控制器。
例如, 高青等人为四旋翼飞行器的姿态稳定控制提出了新的LQR控制器, 该控制器能够实现姿态的快速稳定控制并跟踪参考输入[9]；李一波等人采用一种指令跟踪増广LQR方法设计了飞翼式无人机纵向姿态控制律, 并取得不错的控制效果[10]。
四旋翼无人机自适应控制方法研究
四、四旋翼无人机飞行控制算法 的研究现状及不足
1、基于PID控制的研究
PID控制器是一种经典的控制算法，被广泛应用于四旋翼无人机的飞行控制。 然而，PID控制器的参数整定往往比较复杂，且对系统的动态性能和稳定性有一 定的影响。因此，许多研究者致力于研究更加先进的控制算法，以改善PID控制 的性能和稳定性。
本次演示方法
本次演示提出了一种基于干扰观测器和滑模控制器的四旋翼无人机自适应控 制方法。该方法通过引入干扰观测器，能够有效估计和补偿无人机受到的外部干 扰，提高无人机的稳定性。同时，采用滑模控制器设计方法，能够在系统参数不 确定的情况下实现无人机的精确控制。具体实现步骤如下：
1、建立四旋翼无人机的数学模型，包括无人机的动力学模型、运动学模型 和外部干扰模型。
2、设计干扰观测器，用于估计和补偿无人机的外部干扰。根据外部干扰模 型，选择合适的干扰观测器参数，并利用观测到的数据对干扰进行估计和补偿。
3、设计滑模控制器，用于实现无人机的精确控制。根据无人机的运动学模 型和动力学模型，选择合适的滑模面和滑模控制器参数，并利用干扰观测器估计 的干扰进行控制。
4、通过仿真实验验证所提出方法的性能。利用Matlab/Simulink进行仿真实 验，比较本次演示提出的方法与其他方法的性能差异，并分析实验结果。
三、四旋翼无人机飞行控制算法 的核心构成
1、控制模型建立
四旋翼无人机的控制模型主要涉及到无人机的动力学模型和运动学模型。动 力学模型描述了无人机的力和扭矩之间的关系，运动学模型则描述了无人机的位 置和姿态随时间的变化。通过建立这两个模型，可以实现对无人机的精确控制。
2、算法实现方式
四旋翼无人机的飞行控制算法通常采用闭环控制算法，包括PID控制器、卡 尔曼滤波器、李亚普诺夫稳定器等。这些算法通过对无人机的实时状态进行估计 和反馈，实现无人机的稳定飞行和精确控制。
四旋翼无人飞行器混合控制系统研究
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四旋 翼无 人飞 行 器 混 合 控 制 系统研 究
毕业设计论文——基于模糊PID算法的小型四旋翼无人飞行器控制系统设计
摘要四旋翼飞行器是一种四螺旋桨驱动的、可垂直起降的飞行器，这种结构被广泛用于微小型无人飞行器的设计，可以应用到航拍、考古、边境巡逻、反恐侦查等多个领域，具有重要的军用和民用价值。
四旋翼飞行器同时也具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性和不确定等复杂特性，对其建模和控制是当今控制领域的难点和热点话题。
本次设计对小型四旋翼无人直升机的研究现状进行了细致、广泛的调研，综述了其主要分类、研究领域、关键技术和应用前景，然后针对圆点博士的四旋翼飞行器实际对象，对其建模方法和控制方案进行了初步的研究。
首先，针对四旋翼飞行器的动力学特性，根据欧拉定理以及牛顿定律建立四旋翼无人直升机的动力学模型，并且考虑了空气阻力、转动力矩对于桨叶的影响，建立了四旋翼飞行器的物理模型；根据实验数据和反复推算，建立系统的仿真状态方程；在Matlab环境下搭建了四旋翼飞行器的非线性模型。
选取四旋翼飞行器的姿态角作为控制对象，借助Matlab模糊工具箱设计了模糊PID控制器并依据专家经验编辑了相应的模糊规则；通过仿真和实时控制验证了控制方案的有效性，并在此控制方案下采集到了输入输出数据；利用单片机编写模糊PID算法控制程序，实现对圆点博士四旋翼飞行器实物的姿态控制。
本设计同时进行了Matlab仿真和实物控制设计，利用模糊PID算法，稳定有效的对四旋翼飞行器的姿态进行了控制。
关键词：四旋翼飞行器；模糊PID；姿态控制ⅠAbstractQuadrotor UA V is a four propeller driven, vertical take-off and landing aircraft, this structure is widely used in micro mini unmanned aerial vehicle design and can be applied to multiple areas of aerial, archaeology, border patrol, anti-terrorism investigation, has important military and civil value.Quadrotor UA V is a complicated characteristic of the complicated characteristics such as the less drive, the multi variable, the strong coupling, the nonlinear and the uncertainty, and the difficulty and the hot topic in the control field.Research status of the design of small quadrotor UA V were detailed and extensive research, summarized the main classification, research areas, key technology and application prospect of and according to Dr. dot quadrotor actual object, the modeling method and control scheme were preliminary study.First, for the dynamic characteristics of quadrotor UA V, dynamic model of quadrotor UA V is established according to the theorem of Euler and Newton's laws, and consider the air resistance and rotation torque for the effects of blade, the establishment of the physical model of the quadrotor UA V; root according to experimental data and repeated calculation, the establishment of system simulation equation of state; under the MATLAB environment built the nonlinear model of the quadrotor UA V Select the attitude of the quadrotor angle as the control object, with the help of matlab fuzzy toolbox to design the fuzzy PID controller and according to experience of experts to edit the corresponding fuzzy rules; through the simulation and real-time control verify the effectiveness of the control scheme, and this control scheme under the collection to the data input and output; written by SCM fuzzy PID control algorithm, dots, Quad rotor UA V real attitude control. The design of the Matlab simulation and the physical control design, the use of fuzzy PID algorithm, the stability of the four rotor aircraft attitude control.Keywords:Quadrotor UA V;F uzzy PID;Attitude controlⅡ目录摘要（中文） (Ⅰ)摘要（英文） (Ⅱ)第一章概述 (1)1.1 课题背景及意义 (1)1.2 四旋翼飞行器的研究现状 (2)1.3 四旋翼飞行器的关键技术 (5)1.3.1 数学模型 (6)1.3.2 控制算法 (6)1.3.3 电子技术 (6)1.3.4 动力与能源问题 (6)1.4 本文主要内容 (6)1.5本章小结 (7)第二章四旋翼飞行器的运动原理及数学模型 (7)2.1四旋翼飞行器简介 (7)2.2 四旋翼飞行器的运动原理 (8)2.2.1 四旋翼飞行器高度控制 (8)2.2.2 四旋翼飞行器俯仰角控制 (9)2.2.3 四旋翼飞行器横滚角控制 (9)2.2.4 四旋翼飞行器偏航角控制 (10)2.3四旋翼飞行器的数学模型 (11)2.3.1坐标系建立 (11)2.3.2基于牛顿-欧拉公式的四旋翼飞行器动力学模型 (12)2.4 本章小结 (15)第三章四旋翼飞行器姿态控制算法研究 (15)3.1模糊PID控制原理 (15)3.2 姿态稳定回路的模糊PID控制器设计 (16)3.2.1 构建模糊PID控制器步骤 (17)3.2.2 基于Matlab的姿态角控制算法的仿真 (22)3.3 本章小结 (25)第四章四旋翼飞行器飞行控制系统软件设计 (25)4.1 模糊PID控制算法流程图 (25)4.2 系统实验及结果分析 (26)4.3 本章小结 (27)第五章总结与展望 (28)5.1 总结 (28)5.2 展望 (28)参考文献 (28)第一章概述有史以来，人类一直有一个梦想，那就是可以像蓝天上自由翱翔的鸟儿一样。
四旋翼飞行器飞行控制技术综述
四旋翼飞行器飞行控制技术综述随着科技的不断发展，四旋翼飞行器在民用领域的应用越来越广泛。
飞行控制技术是四旋翼飞行器的关键技术之一，它对于四旋翼飞行器的稳定性、安全性、控制精度和航行性能等方面起着重要的作用。
本文将综述四旋翼飞行器飞行控制技术的研究现状、方法和发展趋势。
一、四旋翼飞行器的基本结构和工作原理四旋翼飞行器是一种垂直起降的多旋翼飞行器，由四个同心布局的螺旋桨组成。
四个螺旋桨通过电机驱动旋转，产生向上的升力，控制螺旋桨的运动状态可实现飞行方向和高度的控制。
四旋翼飞行器的运动状态包括横向运动（Roll）、纵向运动（Pitch）和偏航运动（Yaw）。
横向运动是指四旋翼在横向方向上的旋转；纵向运动是指四旋翼在纵向方向上的旋转；偏航运动是指四旋翼在垂直方向上的旋转。
这些运动状态的控制可以通过改变四个螺旋桨的转速来实现。
二、四旋翼飞行器控制系统的组成四旋翼飞行器控制系统主要由传感器、执行器、控制算法和通信模块等组成。
1.传感器传感器是控制系统的输入设备，用于感知四旋翼飞行器的姿态状态和环境信息。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计和GPS等。
2.执行器执行器是控制系统的输出设备，主要由四个电机和螺旋桨组成。
通过改变电机的转速控制螺旋桨的转动，从而实现四旋翼的运动状态控制。
3.控制算法控制算法是控制系统的核心部分，主要用来根据传感器感知的姿态状态和环境信息计算出下一时刻需要的执行器输出。
现有的控制算法主要包括PID控制器、自适应控制器、模型预测控制器等。
4.通信模块四旋翼飞行器的通信模块可用于与地面无线遥控器、计算机或其它无人机等相互通信。
一般来说，通信模块主要用于实现飞行器和操作员之间的实时数据传输和遥控指令的发送。
三、四旋翼飞行控制技术的研究现状四旋翼飞行器的飞行控制技术是无人机领域最具挑战性的研究问题之一，吸引了大量学者的关注。
目前已有很多关于四旋翼飞行控制技术的研究成果，主要可分为下面几个方面。
四旋翼飞行器控制算法设计与研究的开题报告
四旋翼飞行器控制算法设计与研究的开题报告一、选题背景和意义四旋翼飞行器是一种灵活、便携、多用途的无人机，广泛应用于军事、民用、科研等领域，如遥感、地质勘探、气象观测、灾害救援等。
其中，控制算法是决定四旋翼飞行稳定性和性能的核心因素，对四旋翼飞行器的飞行效率、准确性和可靠性等方面有重要的影响。
本课题旨在探究四旋翼飞行器控制算法的设计与研究，分析四旋翼飞行器的运动特性、建立四旋翼飞行器的运动学和动力学模型，并应用控制理论和方法设计出稳定、高效、灵活的控制算法，提高四旋翼飞行器的飞行稳定性和性能。
二、课题研究目标和内容2.1 研究目标（1）分析四旋翼飞行器的运动特性，建立四旋翼飞行器的运动学和动力学模型；（2）综述四旋翼飞行器控制算法的现状和发展趋势，包括位置控制算法、姿态控制算法、路径规划算法等；（3）应用控制理论和方法设计出高性能、高稳定性的四旋翼飞行器控制算法，并进行仿真验证。
2.2 研究内容（1）四旋翼飞行器运动特性分析：分析四旋翼飞行器的运动特性，包括六自由度运动、姿态变化、空气动力学特性等，建立四旋翼飞行器的运动学和动力学模型。
（2）四旋翼飞行器控制算法综述：综述四旋翼飞行器控制算法的现状和发展趋势，包括位置控制算法、姿态控制算法、路径规划算法等。
（3）四旋翼飞行器控制算法设计：应用控制理论和方法设计出高性能、高稳定性的四旋翼飞行器控制算法，包括位置控制算法和姿态控制算法。
（4）仿真验证和优化：进行控制算法的仿真验证，验证控制算法的稳定性和性能，并进行算法的优化调整。
三、研究方法和技术路线3.1 研究方法本课题主要采用理论分析和仿真实验相结合的方法。
理论分析：分析四旋翼飞行器的运动特性，建立四旋翼飞行器的运动学和动力学模型，应用控制理论和方法设计控制算法。
仿真实验：应用MATLAB/Simulink等仿真软件进行建模和仿真验证，对所设计的控制算法进行性能测试和仿真实验。
3.2 技术路线（1）四旋翼飞行器运动学和动力学模型的建立（2）四旋翼飞行器控制算法的综述与分析（3）位置控制算法的设计和实现（4）姿态控制算法的设计和实现（5）控制算法仿真验证和性能测试（6）算法优化和改进四、预期成果（1）分析四旋翼飞行器的运动特性，建立四旋翼飞行器的运动学和动力学模型；（2）综述四旋翼飞行器控制算法的现状和发展趋势；（3）设计出高性能、高稳定性的四旋翼飞行器控制算法；（4）控制算法仿真验证和性能测试；（5）提出控制算法优化和改进的方法和思路。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真一、引言：随着无人机技术的发展，四旋翼飞行器作为一种重要的无人机类型，在军事、民用和工业领域中得到了广泛应用。
四旋翼飞行器的飞行控制系统是实现其稳定飞行和精确操控的关键。
本文将对四旋翼飞行器的飞行控制系统进行研究与仿真。
二、四旋翼飞行器飞行控制系统的功能和组成：1.嵌入式飞控系统：嵌入式飞控系统是飞行控制系统的核心，集成了飞行姿态估计、姿态控制和飞行模式切换等功能模块。
它通过接受传感器系统获取的飞行状态信息，计算出合适的控制指令，并通过执行器系统实施控制。
2.传感器系统：传感器系统用于获取飞行器的状态信息，如加速度、角速度、姿态等。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。
3.执行器系统：执行器系统用于根据嵌入式飞控系统计算出的控制指令来控制飞行器的运动。
常用的执行器包括电机、螺旋桨等。
4.遥控器系统：遥控器系统用于远程操控飞行器的飞行和动作。
通过遥控器系统，飞行员可以对飞行器进行起飞、降落、飞行方向和高度的调整。
三、四旋翼飞行器飞行控制系统的研究内容和方法：1.飞行姿态控制：飞行姿态控制是四旋翼飞行器飞行控制系统中的核心问题之一、该问题的研究内容包括姿态估计和姿态控制两个方面。
姿态估计：姿态估计是指通过传感器获取的飞行状态信息，推导出飞行器的姿态信息。
常见的姿态估计方法有卡尔曼滤波器和互补滤波器等。
姿态控制：姿态控制是指根据飞行器的姿态信息，计算合适的控制指令来控制飞行器的姿态。
常见的姿态控制方法有PID控制器和模型预测控制器等。
2.位置和轨迹控制：位置和轨迹控制是四旋翼飞行器飞行控制系统中的另一个重要问题。
该问题的研究内容包括位置估计和位置控制两个方面。
位置估计：位置估计是指通过传感器获取的飞行状态信息，推导出飞行器的位置信息。
常见的位置估计方法有GPS和惯性导航系统等。
位置控制：位置控制是指根据飞行器的位置信息，计算合适的控制指令来控制飞行器的位置。
四旋翼机器人的轨迹跟踪控制方法建模与仿真研究
四旋翼机器人的轨迹跟踪控制方法建模与仿真研究四旋翼机器人是一种具有广泛应用前景的飞行器，其独特的飞行特性使得其在航拍、巡检、搜救等领域有着重要的作用。
然而，要实现四旋翼机器人的精确控制，需要研究一种轨迹跟踪控制方法。
本文旨在研究和仿真四旋翼机器人的轨迹跟踪控制方法的建模与仿真。
首先，对于四旋翼机器人的轨迹跟踪控制，需要建立其数学模型。
四旋翼机器人的运动方程可以表示为力学平衡和动力平衡方程，通过对其动力学进行建模，可以得到四旋翼机器人的运动方程。
在此基础上，可以使用控制理论中的方法，如PID控制器、模糊控制器等，来设计四旋翼机器人的控制器。
通过建立四旋翼机器人的数学模型，可以为后续的仿真研究提供基础。
其次，本文使用MATLAB/Simulink软件进行仿真研究。
通过建立四旋翼机器人的数学模型，可以在Simulink中进行仿真。
在仿真过程中，可以设定四旋翼机器人的起始位置和目标轨迹，然后通过控制器对四旋翼机器人进行控制，使其按照设定的轨迹进行飞行。
通过仿真研究，可以验证所设计的控制器在轨迹跟踪方面的性能。
最后，通过分析仿真结果，可以评估所设计的轨迹跟踪控制方法的性能。
通过比较四旋翼机器人实际飞行轨迹和设定的目标轨迹之间的差异，可以评估轨迹跟踪控制方法的准确性。
同时，还可以分析四旋翼机器人在不同飞行速度和外部干扰下的轨迹跟踪性能，以评估其鲁棒性。
综上所述，本文研究了四旋翼机器人的轨迹跟踪控制方法的建模与仿真。
通过建立四旋翼机器人的数学模型，并使用MATLAB/Simulink进行仿真研究，可以评估所设计的控制器在轨迹跟踪方面的性能。
这对于提高四旋翼机器人的飞行控制精度和稳定性具有重要意义，为其在航拍、巡检、搜救等领域的应用提供了理论和技术支持。
四旋翼飞行器悬停控制的研究
四旋翼飞行器悬停控制的研究悬停控制是四旋翼飞行器（Quadrotor）中最基本的控制问题之一，也是四旋翼飞行器实现定点悬停的核心任务。
悬停控制要求四旋翼飞行器能在空中保持稳定的位置和高度，不受外界干扰的影响。
本文将对四旋翼飞行器悬停控制的研究进行介绍。
首先，四旋翼飞行器的动力学模型是悬停控制的基础。
四旋翼飞行器可以简化为一个刚体，在空中的运动可以通过角速度对应的张力来描述。
四个电机产生的力和力矩会改变四旋翼飞行器的位置和姿态。
为了控制飞行器的位置和姿态，我们需要设计合适的控制器。
在悬停控制器的设计中，最重要的是高度控制和姿态控制。
高度控制是四旋翼飞行器在垂直方向上的运动控制，而姿态控制是四旋翼飞行器在水平方向上的运动控制。
高度控制采用的控制方法通常是基于PID控制器的设计。
PID控制器包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。
通过测量实际高度和期望高度之间的误差，PID控制器根据误差的大小调整四个电机的输出力，使得四旋翼飞行器能够达到期望高度。
姿态控制通常采用的控制方法是基于反馈控制的设计。
反馈控制是通过测量飞行器的姿态角（俯仰角、横滚角和偏航角）来调整电机的输出力，使得飞行器能够保持期望的姿态。
常见的姿态控制算法有比例控制、PID控制和模糊控制等。
除了高度控制和姿态控制，四旋翼飞行器悬停控制还需要考虑飞行器的位置控制。
位置控制是通过测量飞行器相对于地面的位置来调整四个电机的输出力，使得飞行器能够保持在期望的位置。
常见的位置控制算法有最优控制和模型预测控制等。
此外，四旋翼飞行器悬停控制还需要考虑控制器的鲁棒性和抗干扰能力。
在实际飞行过程中，飞行器可能会受到不同的干扰，如风力、重力偏差等。
因此，悬停控制器需要设计为能够抵抗这些干扰，并保持飞行器的稳定性。
最后，四旋翼飞行器悬停控制的研究还需要与传感器的使用相结合。
传感器可以提供飞行器的位置、姿态和高度等信息，从而帮助控制器实时地进行调整。
常见的传感器有加速度计、陀螺仪、超声波传感器和摄像头等。
四旋翼飞行器的姿态解算及控制
四旋翼飞行器的姿态解算及控制时代的发展伴随着社会不断的变迁，也伴随着各行业的不断发展。
特别是随着信息技术的不断成熟和创新，更多复杂的、繁琐的行业都引入了智能化、远程遥感的相关技术，而四旋翼飞行器就是当前时代的一类科技产物，可以用于气象观测、航拍等多个方面，而研究其相应的设计流程以及对于以往设计问题的改革，也是当下研究的热点话题。
标签：四旋翼飞行器；姿态解算；控制设计0 引言对于姿态解算与飞行管控往往是四旋翼飞行器的设计关键点，而对于以往的四旋翼飞行器而言，通常会运用到捷联式惯性导航设计，但是往往会出现姿态漂移，而且各类条件下，飞行器的飞行状态并不接近，而且以往姿态解算控制方式往往无法达到机体姿态的准确解算与稳定管控。
而就此，笔者将通过本文，就四旋翼飞行器的姿态解算及控制方面入手，将进行具体的分析和研究。
1 四旋翼飞行器系统原理一般四旋翼飞行器组成主要是以X型机架为基础，飞行控制模块设置在机架核心处，而转动电机则设定在X型架的各个末端，有电动机直接启动螺旋桨转动，从而实现飞行器的上升起飞。
而且在同一条直线上的电机均属于相同方向的转动，这也意味着不处于同一直线的电机转动方向是相对的，这类设计主要是为了减少陀螺效应和空气动力扭矩效应产生的影响，也能避免飞行器在飞行过程中自我旋转，而且一般飞行器的姿态位置调控均是以所有电机运转速度快慢配合实现的。
主要是的系统设计方法是把传感器感知的原始参数以算法解算，然后取得机体运行的姿态参数，最后在进行整体性的姿态解算，而且需要参考遥感取得的相关参数，将其与当下姿态参数进行对比，算出控制设备需要输入的数据量，然后通过相应整理，整合为相应的管控命令，以调整电机运转速度，最后达到姿态调控的效果。
但是，传感器在采用MEMS器件时带来的零漂误差以及四旋翼飞行器其本身欠驱动等特性，也让机体姿态的解算和飞行控制成为整个设计的难点。
2 常规姿态解算和控制误差存在的问题表现运用常规姿态解算取得姿态角参数时，往往会因为本身数据的误差而导致姿态计算参数出现较大的偏移，若是将已经偏移的姿态参数作为一般PID的输入参数，以实现对四旋翼飞行器的姿态管控，往往会导致角速度出现骤变，最终导致最终机体姿态角度和口标角度的误差较大，飞行器飞行出现失衡问题。
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内蒙古科技大学硕士学位论文
摘
要
四旋翼无人飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形 交叉结构，通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定盘旋和精确飞行，其具有欠驱 动、多变量、强耦合、非线性等复杂特性。四旋翼无人飞行器研究内容涵盖了制 造技术、结构设计、材料工程、空气动力学、自主飞行控制与导航、图像处理和 先进通信技术、高效能源、微机电技术、传感器技术等多种高、精、尖技术，因 此对四旋翼无人飞行器的研究无论是从国防战略角度，还是从民用角度来看，都 有着十分深远的意义。 本文以四旋翼无人飞行器为研究对象，首先，介绍四旋翼无人飞行器涉及的 关键技术，设计了四旋翼无人飞行器整体结构，包括四旋翼无人飞行器的机械结 构、控制系统硬件和软件设计，搭建四旋翼无人飞行器研究平台。其次，对四旋 翼无人飞行器进行力学分析，并根据系统实际结构建立其动力学方程，得到系统 传递函数，通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。第三，针对四旋翼 无人飞行器数据采集处理，通过无线串口的方式将数据发送到上位机，并在 LabVIEW 中搭建数据采集平台，运用卡尔曼滤波对加速度和陀螺仪传感器进行数 据融合，获得飞行器姿态原始数据和较好的姿态融合数据。第四，依据四旋翼无 人飞行器的系统仿真模型，通过 Matlab 中的 Simulink 模块，分别对姿态回路 PI 控制算法、 姿态和位置回路的 PID 控制算法和积分分离 PID 控制算法进行了仿真， 验证了控制算法的有效性。 最后，在实验室环境下，通过系留实验，验证了四旋翼无人飞行器控制系统 设计方案和姿态、位置控制算法的可行性，并提出改进意见和方法。
单位：内蒙古科技大学 单位： 单位：
论文提交日期：2012 年 06 月 06 日 学位授予单位：内 蒙 古 科 技 大 学
四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
Байду номын сангаас
Design of Control System and Research on Control Method for Quadrotor UAV
研 究 生 姓 名：朱君 指导教师姓名：江杰 内蒙古科技大学信息学院 包头 014010，中国
Candidate： Zhu Jun Supervisor： Jiang Jie School of Information Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA
关键词：四旋翼无人飞行器；动力学模型；卡尔曼滤波；LabVIEW；控制算法
I
内蒙古科技大学硕士学位论文
Abstract
Quadrotor UAV is a kind of aircraft, that has four propeller and the four propeller with a cruciformcross-structure, that by balancing the four rotor generates force to achieve a stable hover and precision flight. It has underactuated, multivariable, strongly coupled, nonlinear and others complex characteristics, and its research covers variety of interdisciplinary cross-integration of high precision and advanced technology professional, such as Manufacturing Technology, Structural Design, Materials Engineering, Aerodynamics, Autonomous Flight Control and Navigation, Image Processing and Advanced Communication Technology, Energy Efficiency, MEMS Technology, Sensor Technology and so on. Therefore, the research of the Quadrotor UAV a very far-reaching significance, whether from the point of view of national defense strategy, or from a civilian. This paper according to the Quadrotor UAV as the research object. First of all introduce key technologies involved in Quadrotor UAV, and structure for the overall design, including Mechanical structure, hardware and software architecture design, and Build a Quadrotor UAV platform. Followed mechanical analysis of the Quadrotor UAV, and establish its dynamics equation based on the actual structure, and get the system transfer function, and appropriate to simplify the transfer function for the system simulation model. By the third, According to the data acquisition for Quadrotor UAV, and with the way of wireless serial port to send data to the PC, and the Kalman filter is used on acceleration sensor and gyroscope datas fusion, And in LabVIEW to build a data acquisition system, access to raw data and a better attitude of the spacecraft attitude to integration of data. Fourth based on the Quadrotor UAV system simulation model, with the simulation in Matlab Simulink blocks, respectively PI Control algorithm, PID Control algorithm and Integral separation PID Control algorithm to point against the attitude loop and attitude-position loop respectively, verify the effectiveness of the control algorithm. Lastly, complete the Quadrotor UAV mooring experiment in a lab environment, verify the feasibility of the designing of Quadrotor UAV control system and attitude-position control algorithm, and submit its views and methods to improve. Key Words：Quadrotor UAV; Dynamic model; Kalman filter; LabVIEW; Control Algorithm
签名：___________ 日期：____________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解内蒙古科技大学有关保留 、 使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）
II
内蒙古科技大学硕士学位论文
目
摘
录
要 ............................................................................................................................... I
Abstract ............................................................................................................................... II 1 绪论 ............................................................................................................................. - 1 1.1 前景、目的及意义 ........................................................................................... - 1 1.1.1 前景 ..................................