论文总字数：30162字

摘 要

多旋翼无人机是当前研究的一个热点，它具有可垂直起降、控制灵活、在复杂环境下可实现复杂路径的循迹、负载能力强等一系列优点。四旋翼无人机是多旋翼无人机的一种，也是其发展相对成熟的一个分支，在多旋翼无人机中占有重要地位。四旋翼无人机在军事的侦查、电子战和战场损失评估，民用的航拍、环境和交通监测、野外考察等领域都有广泛的应用。

本文使用了双闭环PID飞行控制算法控制无人机的飞行，对四旋翼无人机的飞行控制做出了改进。和传统的PID控制相比，在一定程度上提高了四旋翼无人机的性能。

本文建立了简单的数学模型来描述四旋翼无人机的飞行，并在此基础上对传统PID控制算法和双闭环PID控制算法进行了Simulink仿真。我们发现，和传统PID控制算法相比，双闭环PID控制算法的控制效果更好。

随后我们在无人机平台上做了进一步的验证，发现和传统PID控制算法相比，双闭环PID控制算法不仅在动态性能上有显著地提高，在稳态性能上也有一定程度的提高。

关键词：四旋翼无人机，Simulink仿真，飞行控制算法，双闭环PID

Abstract

Nowadays Multi-rotor unmanned aerial vehicle has become a hot issue in current research and study. It has many advantages including vertical taking off and landing, flexible controlling, tracking path in complex environment, strong load capacity and so on. The four-rotor UAV is a representative of multi-rotor UAV and a relatively well developed branch, and it plays a very important role in multi-rotor UAV. Four rotor UAV are wildly used in the military investigation, electronic warfare and loss assessment. Also it is used in civil aerial photography, environmental and traffic monitoring, wild study and so on.

In this paper, we use the double-closed-loop PID control algorithm to control the four-rotor UAV, taking place of the traditional PID control. And the flight control of the four-rotor UAV has been greatly improved, so as to the performance of the four-rotor UAV.

In this paper, we established a simple mathematical model to describe the flight of the four-rotor UAV. Based on this, the traditional PID control algorithm and the double-closed-loop PID control algorithm are simulated in Simulink of MATLAB. It is found that the control effect of the double-closed-loop PID control algorithm is much superior to the traditional PID control algorithm.

Then we did a further verification on the UAV platform, and found that the double-closed-loop PID control algorithm has a significant improvement over the traditional PID control algorithm in dynamic performance and a certain degree of improvement in steady-state performance.

Key words: four-rotor UAV, simulation in Simulink, flight control algorithm, double-closed-loop PID

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 遥控航模无人机 2

1.2.2 小型四旋翼无人机 2

1.2.3 微型四旋翼无人机 4

1.2.4 国内高校的一些研究 4

1.3 关键技术 4

1.3.1 整机优化 4

1.3.2 建立准确模型 5

1.3.3 能源与动力 5

1.3.4 飞行控制 5

1.3.5 信息融合导航 5

1.4 本文的研究目的和主要内容 5

第二章 四旋翼无人机的建模与控制规律 7

2.1 四旋翼无人机动力学简介 7

2.1.1机体构造和飞行原理 7

2.1.2 旋翼的空气动力学模型 8

2.2动力系统的模型 9

2.2.1 坐标系的建立 9

2.2.2 线性运动的模型 9

2.2.3 角运动的模型 10

2.2.4 动力系统的模型 10

2.3 四旋翼无人机的经典控制规律 11

2.3.1 PID控制规律简介 11

2.3.2 四旋翼无人机的PID控制 12

2.4 基于经典PID的双闭环PID控制方法 12

2.5 本章小结 13

第三章 仿真实验 14

3.1 系统仿真简介 14

3.1.1 系统仿真的概念 14

3.1.2 系统仿真的优点 14

3.1.3 系统仿真的三要素 14

3.2 Simulink仿真 15

3.2.1 传统PID控制的Simulink仿真 15

3.2.2 双闭环PID控制的Simulink仿真 16

3.3 数据分析 17

3.3.1 传统PID数据分析 18

3.3.2 双闭环PID数据分析 18

3.3.3 双闭环PID和传统PID的对比分析 18

3.4 本章小结 19

第四章 四旋翼无人机系统的构建 20

4.1 硬件组成部分简介 20

4.1.1 四旋翼无人机平台的整体构架 20

4.1.2主控芯片 21

4.1.3 电源模块 22

4.1.4 十自由度传感器 22

4.1.5 遥控器与接收机模块 23

4.1.6 动力系统 24

4.1.7 数据传输模块 24

4.2 无人机平台的调试 25

4.2.1接收机的调试 25

4.2.2 无线数传的调试 26

4.2.3 电机和电调的调试 26

4.3 无人机的试飞 27

4.4 本章小结 28

第五章 现场实验 29

5.1 实验简介 29

5.1.1 实验条件介绍 29

5.1.2 实验内容介绍 29

5.1.3 实验流程 30

5.2 传统PID控制 30

5.2.1 悬停实验 31

5.2.2 姿态控制实验 31

5.2.3 Z轴速度控制实验 32

5.3 双闭环PID控制 32

5.3.1 悬停实验 33

5.3.2 姿态控制实验 33

5.3.3 Z轴速度控制实验 34

5.4 数据分析 34

5.4.1 传统PID控制实验数据分析 34

5.4.2 双闭环PID控制实验数据分析 36

5.4.3 综合对比数据分析 37

5.5 本章小结 39

第六章 总结与展望 40

6.1 本次研究的总结 40

6.2 对未来研究的展望 40

致 谢 42

参考文献 43

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

近年来，更多人将目光聚焦于多旋翼无人机，这方面的研究如雨后春笋般不断出现，已经成为一个热点。四旋翼无人机是无人机的一种，人们可以通过无线遥控设备对它进行远程操纵；它也可以进行一定程度的自主飞行。地面站可以通过无线遥控设备对安装了程序控制设备的四旋翼无人机进行定位、跟踪和遥控^[1]。

和固定翼无人机相比，四旋翼无人机具有很多优点。首先，四旋翼无人机可以垂直起降，所需的起飞降落场地较小，且不需要专用的设施，在障碍物较多的场合也可以正常的工作。其次，四旋翼无人机的控制更加的灵活，可以实现复杂的姿态和路径控制，在复杂环境下可控性强，姿态稳定性高^[2]。再次，四旋翼无人机有四个旋翼提供动力，驱动能力强，可以搭载更多的有效载荷，因此实用性更强。最后，四旋翼无人机的体积小，成本低，易于生产和维护，可以大批量的生产和投入使用。

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