毕业设计论文四旋翼飞行器PID控制器的设计
四翼飞行器论文
四旋翼无人直升机论文摘要四旋翼飞机由于其结构复杂、操纵性差等缺点导致其研究进展较为缓慢。
近些年来，随着新型材料、微机电（MEMS）、微惯导（MIMU）技术和飞行控制理论的发展，四旋翼无人直升机获得了越来越多地关注。
四旋翼无人直升机在军事和民用领域具有广阔的应用前景，可用来环境监视、情报搜集、高层建筑实时监控、协助和救助、电影拍摄和气象调查等；它还是火星探测无人飞行器的重要的研究方向之一。
本文针对小型四旋翼无人直升机，以TMS320F28335为核心，设计了四旋翼无人直升机控制器的软硬件系统，实现了近地环境下的姿态控制。
首先，根据设计目标对控制系统总体结构、软硬件整体进行设计。
按功能将控制系统划分成机体平台、控制器模块、传感器模块、电源模块、数据处理模块和通讯模块六个独立的模块。
为了克服A/D转换存在的偏差和高频噪声问题，本文设计了软件矫正算法数字低通滤波器，减少了A/D偏差，降低了高频噪声。
姿态控制是飞行控制的核心问题，四旋翼无人直升机的结构特殊性决定了其控制器设计的特殊性：四旋翼无人直升机通过四个螺旋桨实现对六个被控量的控制，是一个欠驱动系统。
本文建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型，设计了PID控制器进行姿态控制。
仿真和实际系统控制结果表明，该PID控制器可以得到较好的姿态控制效果，验证了控制系统设计的有效性。
关键词：四旋翼无人直升机，控制器，捷联惯导，DSP一、绪论1.1 引言与固定翼飞机相比，旋翼机具有垂直起降的能力。
四旋翼直升机是一种外形独特的旋翼机，国外对四旋翼飞机有多种叫法，如four-rotor、Quardrotor、X4-Flyer、4 rotors helicopter等等。
由于结构的对称性，四旋翼直升机在操纵性和机械机构方面具有很多潜在的优势。
如图1.1所示，旋翼1、3顺时针旋转，旋翼2、4逆时针旋转，旋翼的扭矩会自动平衡。
而传统直升机必须加一个尾翼用来平衡旋翼扭矩，这个尾翼对向上的推力无帮助作用，浪费了能量。
基于PID的四旋翼姿态控制
Electronic technology・ 电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 175【关键词】四旋翼姿态控制 PI-PD 控制器 控制效果 参数整定近年来，随着微型系统、微型传感器、惯导技术以及飞行控制等技术的发展，四旋翼飞行器（以下简称四旋翼）引起了人们的广泛关注。
四旋翼是通过改变四个旋翼的转速来调整其在空中的飞行姿态，包括俯仰角θ、横滚角φ、偏航角ψ，从而控制机体水平方向上的运动，因此四旋翼的姿态控制是决定其飞行性能的关键所在。
在工业过程控制和航空航天控制等领域中，PID 控制的应用达到80 %以上，不过由于四旋翼系统的强非线性、惯性和延迟，PID 控制器对四旋翼姿态的调整效果往往出现较多的系统超调量，或者调整时间较长，控制效果并不令人满意。
因此，设计一种能够抑制系统超调量，并且保证系统快速收敛的控制器，可以提高四旋翼系统的稳定性和控制性。
1 PID控制器基本原理PID 控制器结构简单、方便调试，广泛应用于工业生产中。
PID 控制器是根据系统输出的误差值调节系统输出的控制形式，包含比例控制（P ）、积分控制（I ）和微分控制（D ），基于PI-PD 控制器的四旋翼姿态控制文/唐健杰 王鑫其连续PID 控制的结构形式为：（1）其中u(t)为系统输出，Kp 、Ki 、Kd 分别为比例、积分和微分系数，e(t)=y(r)-y(t)为期望值与输出量的差值，即输出误差。
而对于数字控制系统，可将PID 控制器离散化，得到离散PID 的结构形式：（2）其中，为所有误差值累加之和，Δe(t)=e(t)-e(t-1)，等效微分运算。
当期望值在相邻的采样周期保持不变时，y(r)=y(r-1)，Δe(t)=-y(t)+y(t-1)，Δe(t)即为系统输出的变化量。
若基于PID 控制器来对四旋翼的姿态进行调控，参数整定难度较大，调控效果不佳。
四轴飞行器飞行原理与双闭环PID控制
四轴飞行器是微型飞行器的其中一种，相对于固定翼飞行器，它的方向控制灵活、抗干扰能力强、飞行稳定，能够携带一定的负载和有悬停功能，因此能够很好地进行空中拍摄、监视、侦查等功能，在军事和民用上具备广泛的运用前景。
四轴飞行器关键技术在于控制策略。
由于智能控制算法在运行复杂的浮点型运算以及矩阵运算时，微处理器计算能力受限，难以达到飞行控制实时性的要求；而PID控制简单，易于实现，且技术成熟，因此目前主流的控制策略主要是围绕传统的PID控制展开。
1 四轴飞行器的结构与基本飞行原理四轴飞行器结构主要由主控板和呈十字交叉结构的4个电子调速器、电机、旋浆组成，电机由电子调速器控制，主控板主要负责解算当前飞行姿态、控制电调等功能。
以十字飞行模式为例，l号旋翼为头，1、3号旋翼逆时针旋转，2、4号旋翼顺时针旋转，如图1所示。
图1 四轴飞行器结构图参照飞行状态表1变化电机转速，由于四个电机转速不同，使其与水平面倾斜一定角度，如图l所示。
四个电机产生的合力分解为向上的升力与前向分力。
当重力与升力相等时，前向分力驱动四轴飞行器向倾斜角度的方向水平飞行。
空间三轴角度欧拉角分为仰俯角、横滚角、航向角：倾斜角是仰俯角时，向前、向后飞行；倾斜角是横滚角时，向左、向右飞行；而倾斜航向角时，向左、右旋转运动，左(右)旋转是由于顺时针两电机产生的反扭矩之和与逆时针两电机产生的反扭矩之和不等，即不能相互抵消，机身便在反扭矩作用下绕z轴自旋转。
2 姿态解算四轴飞行器运用姿态解算计算出空间三轴欧拉角。
结构框架如图2所示，陀螺仪采样三轴角速度值，加速度传感器采样三轴加速度值，而磁力传感器采样得到三轴地磁场值，将陀螺仪、加速度传感器、磁力传感器采样后的数据进行标定、滤波、校正后得到三轴欧拉角度，其中陀螺仪和加速度传感器选用MPU6050芯片，磁力传感器选用HMC5883L芯片，采用IIC总线与主控板通信。
图2 姿态解算结构图由于传感器存在器件误差，因此在使用前需要标定。
4基于PID控制的X模式四旋翼飞行器研究_黄军友
X 模式四旋翼飞行器具有载荷轻、体积小、自主飞行、控制复杂等特点，基于PID 控制的X 模式四旋翼飞行器，飞行控制的系统硬件设计的总体要求选择低功耗电子设备、高性能遥控接收设备、高速微处理器、良好的可扩展性、强抗干扰性等。
可靠性、可行性、先进性、实时性和高集成度是具体的方案设计过程中应该重点考虑。
1硬件设计X 模式该模式以两根轴的正中间为前进方向，调节迅速，由两个电动机共同完成一个轴的控制，前进方向为电动机1和电动机2中间的方向，如图1所示。
飞行控制板是整个系统的核心，包括电源接口电路、遥控接收电路、姿态检测传感器电路、PWM 信号输出电路、编程接口电路、信号指示电路等。
采用ST 公司基于Cortex-M3内核的STM32F103C8T6的32位ARM 芯片，外设有定时器、ADC 、SPI 、I2C 、USART 和USB 等[1]。
电子调速器（ESC ）采用好盈电调产品，遥控采用2.4G 天地飞-7遥控器。
1.1电源接口电路电源接口电路是采用5V 转3.3V 的三端稳压芯片LM1117，由于飞行控制板体积比较小所以采用了SOT-223的封装。
下图中的C 20与C 17均为退耦电容，大小为0.1μF ，C 18为钽电容起稳压的作用，大小为47μF ，如图2所示。
1.2姿态检测传感器电路姿态传感器包括陀螺仪传感器、加速度计传感器。
陀螺仪传感器选择村田公司的ENC-03RC ，测量范围为-300度每秒~+300度每秒，输出0~3.3V 的模拟信号，在未测量到角速度信号时输出的电压为1.35V 。
加速度计传感器选择飞思卡尔公司的MMA7361三轴的模拟加速度计传感器，可以工作在±1.5G 和±6G 两种状态，工作在±1.5G 模式时为800mV/g 。
基于PID 控制的X 模式四旋翼飞行器研究黄军友（四川信息职业技术学院四川广元628000）摘要：设计了X 模式四旋翼飞行器飞行控制系统的总体方案；在此基础上，完成了飞行控制系统的软硬件设计，包括器件选型、硬件电路设计、系统软件设计，并把互补滤波器应用于姿态解算，姿态控制部分采用PID （Proportional Inte -gral Derivative ）控制器。
四旋翼飞行器建模与PID控制器设计
Ｖｏ ｌ Ｉ ２１ Ｎｏ ＿ ２ ３
电 子 设 计 工 程
Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
２ ０ １ ３年 １ ２月
Ｄｅ ｅ ． ２ ０１ ３
四旋 翼 飞行 器建模 与 Ｐ Ｉ Ｄ 控制 器设计
关 键 词 ：四 旋 翼 飞 行 器 ； Ｌ Ｐ Ｖ；非 线 性 建 模 ； Ｐ Ｉ Ｄ控 制
中 图 分类 号 ： Ｔ Ｎ ７ ９
文献标识码 ： Ａ
文 章 编 号 ：１ ６ ７ ４ － ６ ２ ３ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ２ ３ － ０ １ ４ ７ － ０ ４
Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎｇ ａ ｎ ｄ ＰＩ Ｄ ｃ ｏ ｎｔ ｒ ｏ ｌ ｆ ０ ｒ ａ ｑ ｕａ ｄ ｒ ｏ ｔ ｏ ｒ
近年来 ， 随着新 型材料 、 微 机电 （ ＭＥ ＭＳ ） 、 微惯 导 （ ＭＩ ＭＵ）
坐标系如 图 ｌ 所示 。
以 及 飞 行 控 制 等 技 术 的迅 速 发 展 ， 小 型 四旋 翼 飞 行 器 得 到 了 进 一 步 的发 展 ， 逐 渐 成 为 各 国科 技 人 员 关 注 的焦 点 。小 型 四 旋 翼 飞 行 器 是 一 种 具 有 ４个 螺 旋 桨 ， 并 且 螺 旋 桨 呈 十 字 交 叉 结构的旋翼式 飞行器 。 它 通 过 调 整 ４个 电 机 的 转 速 来 实 现 俯 仰、 横滚、 偏航 等飞行动作 ， 并具有可 悬停 、 机 动性好 、 结 构 简 单等优点 。 飞 行 控 制 一 直 是 小技 大 学 的聂 博 文 设 计 了基 于 反 步 法 的控 制器 。 哈 尔 滨 工 业 大
江 杰 ，岂伟 楠
毕业设计论文四旋翼飞行器PID控制器的设计
第一章 四旋翼飞行器概述
1.1引言
目前国内外对飞行器的研究主要包括三种：固定翼、旋翼及扑翼式，四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼式的一种。国外早在上世纪初期就开始研究四旋翼飞行器。这种飞行器由军方率先研发并制造用于情报侦查等领域。很多科技企业、大学及研究所也研发并实现了自己的四旋翼飞行器。
目前，国内有很多致力于开源四旋翼飞行器研发的科技企业及技术团队，最受欢迎的有匿名科创开发的匿名四轴，圆点博士小四轴等。匿名四轴的控制方法主要是对姿态欧拉角进行控制，圆点博士小四轴主要是对姿态四元数进行控制，控制效果都很好。这给很多电子技术爱好者提供了丰富的学习资料。
国内有很多针对多旋翼飞行器的技术论坛，也有很多技术论坛专门开设了四旋翼飞行器讨论版块，汇聚了众多四旋翼飞行器的爱好者，提供了飞行器技术学习和提升的平台。
本设计主要介绍一种四旋翼飞行器的实现方案，以意法半导体公司生产的基于AMR Cortex-M3内核的STM32F103C8T6微型控制器作为计算控制单元，以Invensense公司生产的MPU6050作为惯性测量单元，整合飞行器姿态，以NRF24L01无线通信模块作为通信渠道，实现了上位机与下位机各项数据的实时传输，使用WFLY07遥控器实现了对四旋翼飞行器的无线遥控。本文详细介绍了四旋翼飞行器的飞行原理、硬件构造和软件设计，设计了一种PID控制器，实现了四轴飞行器的各项动作控制。
Yaw角为偏航角，如图，机体绕Z轴旋转产生原来XOZ面的夹角，为偏航角。
在＋模式下，A组螺旋桨与B组螺旋桨基本没有关系。实现基本的飞行动作只需调节一组螺旋桨的转速。当四个螺旋桨转速相同时，螺旋桨间的扭力矩相互抵消，实现飞行器姿态水平，如果增加螺旋桨的转速，可实现飞行器上升，下降等动作。当1、3号螺旋桨转速增加，而2、4号螺旋桨转速不变时，飞行器可以实现偏航。当1、3号螺旋桨转速不变，2号螺旋桨转速增加，4号螺旋桨转速减小，飞行器可实现横滚运动，即飞行器向左飞。当2、4号螺旋桨转速不变，1号螺旋桨转速增加，3号螺旋桨转速减小，飞行器可实现俯仰运动，即飞行器向前后飞。由此，可以想像飞行器在不同螺旋桨转速下的飞行动作。
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计随着社会科学技术的不断发展，微控制器、传感器及电力驱动技术的成熟，四旋翼飞行器已经逐渐取代了传统的螺旋翼直升机飞行器，由于四旋翼飞行器有十字架构和四个螺旋翼，其属于一个强耦合、非线性及欠驱动的六自由度系统，本文分析基于模糊控制的PID控制算法，以求持续提高四旋翼飞行器的控制效果。
标签：四旋翼飞行器；动力学模型；模糊控制；PID控制四旋翼飞行器由于其独特的飞行方式使得其起飞和降落需要较少的空间，便于保持在较高的操纵性能飞行在障碍物密集的环境当中，同时四旋翼飞行器可以保持稳定的飞行姿态，因此在军事和民用领域都有较好的应用前景。
四旋翼飞行器具有简单的机械结构，其主要由十字状构架和四个旋翼组成，在对四旋翼飞行器数学建模时其属于强耦合、非线性及欠驱动六自由度系统，通过控制四个螺旋桨不同速度就可是实现不同的飞行姿态。
对于非线性强耦合的系统的控制较为困难，因此要实现四旋翼飞行器从初始位置运行到既定位置并能保持当前的运动状态，就可以将非线性的四旋翼飞行器模型进行近似线性化的处理。
在四旋翼飞行器控制过程中可以采用双闭环结构，将内环角度环输出作为外环速度环的控制输入，从而实现对四旋翼飞行器运行姿态的控制。
1 四旋翼飞行器的控制原理1.1 四旋翼飞行器的垂直飞行与俯仰飞行的控制原理四旋翼飞行器在控制过程中通过调整电机转动速度来改变合力实现飞行的多种姿态。
在四旋翼飞行器垂直飞行过程中，首先需要处理好电机转动过程中产生的反转矩作用，在1号与3号电机逆时针运行的同时2号与4号电机顺时针旋转，当两者产生的合力能保持大小一致时，就会使他们产生的反扭矩互相完全抵消。
當各电机均产生向上拉力且拉力大于飞行器重力时就会使四旋翼飞行器上升，同时电机转动速度增加会使拉力变大，当拉力大于飞行器重力时就可以实现悬停状态，为了保证四旋翼飞行器可以实现垂直飞行，就需要四个电机的转动速度相同。
当四旋翼飞行器需要产生俯仰飞行时，可令2号和4号电机朝同一个方向旋转并保持相同的旋转速度，1号电机运行速度增加，3号电机运行速度降低，则会使四旋翼飞行器向X轴方向产生俯仰并进入不平衡状态。
基于STM32的四旋翼飞行控制系统毕业设计
例如在高空电力线巡检中，无人机能在工作人员的操控下进行工作，可以代替人工对巡检对象实施接近检测，减少工人的劳动强度。也可以携带传感仪器、摄像机等，对巡检对象进行数据收集、分析与存储，这进一步提高巡检的工作效率和巡检精度。在军事上，在局部小规模对战的时候，一些普通的侦察机，可能受到敌方打击而造成不必要的机体人员伤亡，无人机则可以很好地起到替代作用。利用四旋翼飞行器作为侦察机，具有振动小、噪声小、可靠性高、成本低、反侦察能力强、自我销毁等优势。因此无人机的军事价值不可估量。四旋翼飞行器还有着更为广阔的前景等待着开发。比如可以通过为飞行器的添加更加智能的算法实现人机互动，让飞行器帮人取物件等。
1
6
mV
电源模块的原理图如图4.1所示。图里的5V电源来源于电子调速器的BEC降压系统。
图4.1电源模块电路图
4.1.2STM32F407最小系统
STM32F407VET6是意法半导体基于CORTEX-M4内核的芯片，STM32F407拥有的资源包括：集成FPU和DSP指令，并具有192KBSRAM、1024KB FLASH、12个16位定时器、2个32位定时器、2个DMA控制器（共16个通道）、3个SPI、2个全双工I2S、3个IIC、6个串口、2个USB（支持HOST /SLAVE）、2个CAN、3个12位ADC、2个12位DAC、1个RTC（带日历功能）、1个SDIO接口、1个FSMC接口、1个10/100M以太网MAC控制器、1个摄像头接口、1个硬件随机数生成器、以及112个通用IO口等。该芯片的配置十分强悍，具有卓越的性能。相对STM32F1来说，许多功能进行了重大改进。STM32最小系统电路图如图4.2所示。
基于PID算法的自适应四旋翼飞行器
光电循迹电路使用 E3F－DS10C4 集成断续式 光电开关探测器，只要调节探头上的一个旋钮就 可以控制探头的灵敏度。该探头输出端只有三根 线（电源线、地线、信号线） ，只要将信号线接在 单片机的 I/O 口，然后不停地对该 I/O 口进行扫 描检测，当其为高电平时则检测到白纸，当为低 电平时则检测到黑线。 动力系统采用直流无刷直流电机驱动旋翼， 采用非接触式的电子换向方法消除了电刷磨损。 无刷直流电机的控制方法如图 3 所示。传统的直 流无刷电机采用梯形波驱动方式， MCU 根据三个霍 尔传感器信号调制 PWM 输出。由于在这种控制方 式下，电机端电压波形为梯形波，因此也称为梯 形波控制。 PWM 输出存在 6 种状态， 对于每种状态， 逆变桥的 6 个功率管中仅有 2 个工作。 当 PWM 开 通时，电流经过 M1，经过电机及 M6 返回电源。当 PWM 关闭时，续流电流经由 D2(M2 中的寄生二极 管)、电机相线和 M6 返回电源。由于二极管 D2 的
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关和电磁继电器，实现四旋翼飞行器自主飞行。
1 动力学模型的建立
为了获得四旋翼飞行器的数学模型，建立两 个基本坐标系即惯性坐标系 Z （OXYZ） 和飞行器坐 标系 B（oxyz）,其中θ是沿 y 轴俯仰转动的俯仰 角：ψ是沿 z 轴方向转动的偏航角；φ是沿 x 轴 滚向转动的滚向角（见图 1） 。θ，ψ，φ根据欧
四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文
四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计论文四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。
下面由学术堂为大家整理出一篇题目为“四旋翼飞行器的稳定悬停与飞行设计”的航天工程论文，供大家参考。
原标题：四旋翼控制系统的设计摘要：在充分考虑四旋翼飞行器功能及性能的基础上，给出了微型四旋翼飞行器的实现方案，采用RL78G13为核心处理器，采用MPU6050实现飞行姿态数据的采集，利用nRF24L01无线模块实现参数的无线传输，并进行了驱动电路、电源稳压电路、电池电压检测电路的设计。
针对四旋翼飞行器在工作过程中供电电压不断降低导致控制不稳的问题，采用电池电压反馈的控制策略有效解决了该问题。
在搭建的硬件平台上，编写了相应的控制程序，经过测试，实现了四旋翼飞行器的稳定控制。
关键词：四旋翼飞行器；姿态数据；无线传输四旋翼飞行器的研究解决了众多的军用与民用上的问题。
军方利用四旋翼飞行器进行侦查、监视、诱饵与通信中继，解决了人为操作困难的问题，甚至减免了人员的伤亡；而在民用上，四旋翼飞行器能够实现大气监测、交通监控、森林防火等功能，有效预防了危机的产生，而促使四旋翼飞行器得到广泛应用的前提，是实现其平稳飞行及自主运行[1].本设计以实现四旋翼飞行器的稳定悬停与按照预定轨道自主飞行为目标，旨在探索四旋翼飞行器的硬件结构与飞行原理，并通过实际调试，理解四旋翼飞行器的相关控制理论，并解决四旋翼飞行器在工作过程中由于供电电压不断降低导致控制不稳的问题。
1设计原理方案四旋翼飞行器的核心是利用MPU6050对其飞行过程中的三轴加速度与三轴角速度值进行采集，主控制器采用四元数方法及PID算法对姿态数据进行解算，并将计算后的PWM控制信号施加到电机上，进而实现对四旋翼飞行器的控制。
通过调研及综合目前四旋翼飞行器系统的特点及要求，确定了设计的性能及指标如下。
（1）通信功能：具有无线接口，实现飞行功能的无线设定。
四旋翼飞行器PID控制器的设计
四旋翼pid调参实验报告
中北大学四旋翼无人机实践模块测试报告学院：专业：学号姓名：学号姓名：学号姓名：起迄日期:设计地点:指导教师:年月日实验四：四旋翼飞行器单级PID参数整定一、实验目的四旋翼无人机姿态PID控制二、实验仪器计算机、无人机、遥控器、数据线、电池三、实验步骤打开计算机；打开匿名空间站；将无人机、遥控器和计算机连接上，并连接上空间站；参数点击恢复默认设置，并读取飞控；把PID参数调节实验的代码工程下载到飞机里面，然后在上位机显示PITCH角的波形；调节PID参数，直到震荡消失；再慢慢增大ki直到飞机稳定飞行，此时PID参数调节完毕；波形和平稳飞行后显示的数据和各数据的波形如实验结果所示四、实验数据记录图一图二图三图四图五图六图七五、实验数据分析、处理及讨论PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。
其输入e(t）与输出u(t）的关系为：u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]式中积分的上下限分别是0和t，因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]，其中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。
P是回复力的大小，P小了飞机飞行时候姿态调整软弱无力，打舵响应很慢，p过大会造成发散性震荡，飞机起飞就一直抖动。
I就是把误差量累加然后输出进行控制，I的作用会让调节变得滞后，但是能够然调节的误差减小。
D的作用是消除震荡，由于D项是根误差变化率，所以具有超前调节的作用，D项的存在使得回复的速度不会很快，不会过冲，D项对P项有着抑制作用六、感想、体会、收获等通过本次实验，实现了通过调节P.I.D来控制四旋翼无人机的飞行姿态，寻找使无人机飞行趋于稳定的状态。
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系统研究与设计
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与设计四旋翼飞行器是无人机中常见的一种飞行器类型，在军事、民用等领域有着广泛的应用。
而对于这种飞行器，飞行控制系统的研究与设计是其性能和稳定性的关键。
一、四旋翼飞行器的工作原理四旋翼飞行器是一种通过四个独立的旋翼进行飞行的飞行器。
它的工作原理是通过调节不同旋翼的转速和倾斜角度，控制飞行器的姿态和飞行方向。
通过这种方式，飞行器可以实现上下、前后、左右的飞行运动，并且可以在空中悬停。
二、四旋翼飞行器飞行控制系统基本组成四旋翼飞行器的飞行控制系统主要由传感器、控制算法和执行器三部分组成。
传感器用于获取飞行器的姿态和状态数据，控制算法用于根据传感器数据计算控制指令，执行器则用于执行控制指令，调节旋翼的转速和倾斜角度。
1. 传感器传感器是飞行控制系统的数据获取部分，主要用于获取飞行器的姿态、位置和运动状态等数据。
常见的传感器包括陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等。
陀螺仪用于测量飞行器的角速度，加速度计用于测量飞行器的加速度，磁力计用于测量飞行器的方向，气压计用于测量飞行器的高度。
这些传感器可以提供给控制算法所需的姿态和状态数据，为飞行器的控制提供支持。
2. 控制算法控制算法是飞行控制系统的核心部分，它主要用于根据传感器数据计算控制指令，调节飞行器的姿态和飞行状态。
常见的控制算法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。
PID控制是一种经典的控制算法，它通过比例、积分和微分三部分组成，可以根据误差信号调节执行器输出，实现对飞行器的精确控制。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，可以处理复杂的非线性系统，对于四旋翼飞行器的控制具有一定的优势。
自适应控制是一种基于自适应参数的控制方法，可以根据飞行器的动态特性实时调节控制参数，适应不同的飞行环境和工况。
3. 执行器执行器是飞行控制系统的执行部分，主要用于控制飞行器的旋翼转速和倾斜角度，调节飞行器的姿态和飞行状态。
常见的执行器包括电动调速器、舵机等。
基于PID算法的四旋翼姿态控制系统与研究
Instructor ： Han xiao bing
The Four-rotor UAV is a complex controlled object with a stable, non-linear, strong coupling characteristics, its flight control methods involve Mechanics principle, sensor theory of communication technology, computer technology and other disciplines. Thesis focuses on the analysis of the sensor debug, the establishment of dynamic model and simulation ，the establishment of WIFI data channel and the design of the attitude of the control system based on PID algorithm. It is declared that through the study of four rotor aircraft structure characteristics, the attitude calculation method and flight control theory, then design the main control system based on S3C2440 chip as the platform of hardware, software development in Linux environment. The hardware platform integrates MPU-6000 and KS103 for the inertial measurement unit of the flight attitude control system. The design of software to Linux file system as the operation platform, then build the cross compile environment and write application layer and control layer on PC platform. In the data channel, using RS232 and IIC protocol to realize data analysis from the sensor and establish a data channel between the host computer and the target board based on the socket TCP communication protocol. Through the method of weighted fusion to deal with the measurement data from gyroscope and the current sensor , to estimate the current motion trends. Then make the attitude angle and stability of attitude Angle difference, treat the difference as a fuzzy PID controller input, through the calculation of PID control algorithm, obtain rapid convergence to the target angle corresponding to the anterior horn motor to adjust volume, so as to change the rotor speed to make aircraft to steady attitude adjustment. It is stated that this paper focus on the design of four rotor aircraft autonomous flight control system and build the software and hardware platform, then put emphasis on the debugging of the sensor and the design of the algorithm. Respectively introduced the pitching Angle proportion, integral and differential three kinds of convergence algorithm, and then
基于PID控制的四轴飞行器姿态控制研究
IT 大视野数码世界 P .57基于PID 控制的四轴飞行器姿态控制研究原思杰 北方民族大学 宁夏银川市 750001摘要：随着无人机技术的发展，四轴飞行器已经广泛应用于军事与民用等领域。
军事方面，四轴飞行器凭借着体积小、飞行灵活等优势可以用于侦察。
民用方面，可以用来航拍以及植保等。
为了能使四轴飞行器在各种复杂的环境中能很好地完成飞行任务，需要提高四轴飞行器的飞行稳定性，而四轴飞行器飞行的稳定程度主要取决于飞行器姿态控制系统的优良程度。
本设计以意法半导体公司的ARM V7内核微控制处理器为核心，设计了四轴飞行器的飞行姿态控制系统。
关键字：四轴飞行器 姿态控制 ARM V7 中图分类号：TN929.12； 文献标识码： A1 飞行姿态控制系统的总体结构四轴飞行器姿态控制系统主要由主控制部分、动力部分以及航姿测量三个部分组成。
主控部分的核心是主控制器；动力部分主要由给飞行器提供动力的电机以及调速器构成；航姿测量部分主要由高度测量模块与姿态测量模块组成，高低测量模块包含气压温度计，姿态测量模块包含加速度计、陀螺仪以及磁力计等。
飞行器姿态控制系统的总体结构如下图1所示。
图1 四轴飞行器姿态控制系统的总体结构图2 飞行器坐标系建立四轴飞行器的飞行姿态可以用多种方式进行描述，例如可以用欧拉角、方向余弦等进行描述。
欧拉角主要用偏航角、俯仰角和滚转角来描述四轴飞行器的飞行姿态。
其中，偏航角为绕四轴飞行器的Z b 轴旋转得到，以机头右偏为正；俯仰角为绕四轴飞行器的Y b 轴得到，以飞行器的抬头为正；滚转角为绕四轴飞行器的X b 轴旋转得到，以飞行器的右滚为正。
假设初始时刻的两个坐标系重合，绕O e X e 得到旋转角φ；绕O e Y e 得到旋转角θ；绕O e Z e 得到旋转角Ψ,再转换到机体坐标系O b X b Y b Z b 。
它们的坐标系旋转关系如下图2所示。
图2 坐标系旋转关系示意图3 基于PID 的飞行姿态控制系统的设计本设计中飞行器飞行姿态控制回路中三维角速度的大小由加速度计与陀螺仪测量积分融合得到，通过加速度计测量的加速度数据不断补偿陀螺仪测得的角速度数据，以达到提高对四轴飞行姿态控制的准确性。
四旋翼无人机毕业设计
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渤海大学本科毕业论文（设计）四旋翼无人机设计与制作The Manufacture and Design of Quad Rotor UnmannedAerial Vehicle学院(系）：专业：学号：学生姓名：入学年度：指导教师：完成日期：摘要四旋翼无人机飞行器因为它的结构简单，而且控制起来也很方便，因此它成为了近几年来发展起来的热门产业。
在这里本文详细的介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的过程，其中包括了四旋翼无人机飞行器的飞行原理，硬件的介绍和选型，姿态参考算法的推导和实现，系统软件的具体实现。
该四旋翼飞行器控制系统以STM32f103zet单片机为核心，根据各个传感器的特点，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理,之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计,实现精确的姿态测量。
最后结合GPS控制与姿态控制叠加进行PID控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。
在制作四旋翼飞行器的过程中,进行了大量的调试并且与现有优秀算法做对比验证，最终设计出能够稳定飞行的四旋翼无人机飞行器。
关键词：姿态传感器；四元数姿态解算; STM32微型处理器；数据融合；PIDThe Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned AerialVehicleAbstractQuad—rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure，and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design and the process of making the four—rotor aircraft，including Quad-rotor UAV aircraft flight principle，hardware introduction and selection，implementation and realization of derivation attitude reference algorithm，the system software 。
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1.2四旋翼飞行器的国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
目前，国内外对四旋翼飞行器的研究主要集中在3个方面：基于惯性导行系统的自主飞行控制、基于视觉功能的自主飞行控制和自主飞行器系统方案，典型代表有：瑞士洛桑联邦理工大学(EPFL)的OS4、宾夕法尼亚大学的HMX4。
OS4是EPFL自动化系统实验室开发的一种电动小型四旋翼飞行器，研究的重点是机构设计和自主导航算法，目标是实现室内和室外完全自主飞行。OS4I最大长度约73cm，质量为235g；它使用了DraganflyerⅢ的旋翼和机架，4个Faulhaber1724电机，以及一个Xsense的MT9-B微惯性器件。通过万向节将飞行器固定在飞行测试平台上，使其在三个方向都可以灵活运动，便于调试。飞行器的能源供给、数据处理、电机驱动以及飞行控制都由外部提供。OS4已经基于PID、LQ、Backstepping及Sliding-mode等多种控制算法实现了飞行器姿态控制。
Keywords：Quad-rotor，STM32F103，MPU6050，Attitude calculation，PID controller
第一章 四旋翼飞行器概述
1.1引言
目前国内外对飞行器的研究主要包括三种：固定翼、旋翼及扑翼式，四旋翼飞行器在布局形式上属于旋翼式的一种。国外早在上世纪初期就开始研究四旋翼飞行器。这种飞行器由军方率先研发并制造用于情报侦查等领域。很多科技企业、大学及研究所也研发并实现了自己的四旋翼飞行器。
2012年2月，由美国种子基金会（The Sapling Foundation）运营的非盈利组织TED大会请出了美国宾夕法尼亚大学（University Of Pennsylvania）动力科学院（School of Engineering and Applied Science）的一位教授和他所带领的一个四旋翼飞行器研发团队，他们陈述了目前一些无人机的不足之处和四旋翼飞行器的优越性，并多元化展示了他们研发的四旋翼飞行器在军事，勘探等多种行业的多种用途。
本科毕业设计（论文）资料
题目名称：
四旋翼飞行器PID控制器的设计
摘 要
近年来，随着新材料的涌现及新传感技术的发展，四旋翼飞行器迅速发展起来。四旋翼飞行器是一种具有四个对称旋翼的直升机，结构简单，机动性强，飞行灵活，可垂直起降，悬停甚至完成一些高难度飞行动作。它所具备的优越性能，使其应l introducea scheme to make a quad-rotor. The design used STM32F103C8T6 which worked with the new-fashioned ARM Cortex-M3 micro processer as the control unit. In addition, a chip named MPU6050 was used to measure the attitude data of the quad-rotor,and the wireless communication module named NRF24L01 to make the PC and the quad-rotor communicate well. Besides, aWFLY07remote was used to control the quad-rotor.We stated the flight theory, and the structure of the hardware and software in detailimportantly,a PID controllerwasdesigned to control the attitude and made it really worked.
事实上，很多无人机都需要专业的飞行控制团队进行远程操控，包括几个专业的飞行员，远程雷达感应操作员和团队协调员。除此之外，这些无人机在自身结构、体积、重量及成本等方面都有缺点。而四旋翼飞行器结构简单，体积小巧，重量轻便，机动性强，飞行灵活，可垂直起降，悬停甚至完成一些高难度飞行动作。这些优势使四旋翼飞行器迅速成为无人机领域冉冉升起的新星，也让人看到了它的研发价值和应用前景。很多行业如军事打击、公安追捕、灾害搜救、农林业调查、输电线巡查、航拍等都成为四旋翼飞行器体现其优越性的平台。
关键词：四旋翼飞行器，STM32F103，MPU6050，姿态解算，PID控制器
ABSTRACT
In recent years, with the new materialand newMEMStechnology, the quad-rotor obtains a rapid development .And that made it become a popular flight model among many model aircraft enthusiasts.Quad-rotoris a kind of symmetry withthe advantages of simple structure, strong flexibility,It cantake off and landvertically,In addition, it can alsohoverin the airand evendosome difficult maneuver. Its superior performance has the very broad application prospects.