基于嵌入式的四旋翼飛行器姿態(tài)控制設(shè)計(jì).pdf

1、隨著微小型處理器、傳感器、電機(jī)等技術(shù)的前進(jìn)，以及姿態(tài)解算方法和控制算法的發(fā)展，多旋翼飛行器的研究和開(kāi)發(fā)受到廣大科研院校及科技公司的關(guān)注。飛行器的姿態(tài)控制研究是其核心內(nèi)容之一，直接影響著其性能及推廣應(yīng)用。本文從學(xué)習(xí)研究四旋翼飛行器整體系統(tǒng)的角度出發(fā)，選用低成本、高可靠性的微小型傳感器模塊及處理器設(shè)計(jì)四旋翼飛行器樣機(jī)，旨在通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)處理及控制算法改善飛行器的穩(wěn)定性及可靠性，為開(kāi)展飛行器完全自主飛行研究。
　　本研究首先制定研究所需飛

2、行器的設(shè)計(jì)要求，選用合適的機(jī)架及配套的電機(jī)、電子調(diào)速器（電調(diào)）及供電鋰電池，初步構(gòu)成四旋翼的框架。設(shè)計(jì)了以STM32F103為主控微處理器，集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)，同時(shí)外擴(kuò)連接GPS模塊、超聲波、通信模塊等，實(shí)現(xiàn)飛行器的運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)相關(guān)信息的測(cè)量，完成了四旋翼飛行器的硬件的搭建。其次，對(duì)四旋翼飛行器的姿態(tài)解算及控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對(duì)單一傳感器測(cè)量精度差、可靠性低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于信息融合的姿態(tài)解算法，利用互補(bǔ)濾波的方法，將加

3、速度、陀螺儀和磁力計(jì)的測(cè)量值根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行基于四元數(shù)法的綜合解算，得到姿態(tài)角的最優(yōu)估計(jì)；高度及位置測(cè)量中采用了分散卡爾曼濾波的融合算法，將超聲波、氣壓計(jì)、GPS和加速度計(jì)的測(cè)量值融合解算，得到高度和位置的最優(yōu)估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)位置信息的實(shí)時(shí)可靠獲取。同時(shí)根據(jù)四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)及控制策略，設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)PID的姿態(tài)角實(shí)時(shí)調(diào)整控制方法，以及基于姿態(tài)角控制的位置控制算法，提高飛行器的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。最后，介紹了四旋翼飛行器的主要模塊的軟件設(shè)計(jì)