论文总字数：23698字

摘 要

新型材料、微电子技术、微惯导及控制技术的发展，促进了四旋翼飞行器的智能化、数字化、多功能化方向发展。四轴飞行器有着低成本、高性能、构造及飞行方式独特的优点，在未来军事以及民用领域发挥着至关重要的作用。同时四轴飞行器的发展牵涉到许多学科交叉领域的关键技术发展，早已成为企业及各个领域学者的研究热点。

本文对四轴飞行器的机械结构和5种基本的控制原理进行了阐述。并根据四轴飞行器的空气动力学特性和飞行姿态控制原理，利用牛顿-欧拉公式推导分析得到系统的动力学方程，对其在平衡点附近进行简化，得到四轴飞行器的简化动力学模型。本文将重点放在四轴飞行器姿态自稳飞行上，根据四轴飞行器简化的动力学模型和姿态控制性能的要求，对不同姿态角提出了不同的姿态控制器设计方案。其中，对精度和响应速度要求高的俯仰角和横滚角采用串级控制，将角度作为外环、角速度作为内环。对精度和响应速度要求较低的偏航角ψ采用单闭环PID控制。最后完成以STM32F103ZET6为主控板的一套完整的姿态自稳飞行控制器，并在实际环境中试飞，验证了方法的可行性。

关键词：四轴飞行器，动力学模型，飞行控制器，姿态串级PID控制

Quadrotor Software Design Based on STM32

Abstract

The development of new materials, microelectronics, micro inertial navigation and control technology has promoted the quadrotor to be more intelligent, more digital and multi-functional. The quadrotor has the advantages as low-cost, high-performance, unique structure amp; flight mode, and it will be of vital significance in the military and civilian areas in the future. Meanwhile, the development of the quadrotor is related to many interdisciplinary fields' key technology and has been a hotspot among all researchers from various areas.

In this paper, we describe the quadrotor's mechanical structure and show five fundamental control principles. And according to quadrotor's aerodynamics and flight attitude control principles, we use Newton - Euler equation to get the dynamic equation of the system. Then we simplify this equation at the equilibrium point. In this paper we focus on the attitude stabilization of the quadrotor. According to the quadrotor simplified dynamics model and the attitude control performance requirements, we propose different attitude controller design to different attitude angle. For the accuracy and response speed requirements of pitch angle θ and roll angle ф, we use cascade control. The outer loop is used to control the angle and the inner loop controls the angle velocity. For the lower accuracy and response speed requirements of yaw angle ψ, we use a single closed loop PID control. Finally, we complete a whole set of attitude controllers and a flight test in a real environment verifies the feasibility of the method.

KEYWORDS: Quadrotor, Dynamics Model, Flight Controller, Attitude Cascade PID Control.

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 发展历史及国内外研究现状 1

1.2.1 发展历史 1

1.2.2 国内外研究现状 3

1.3 论文组织结构安排 3

第2章 四轴飞行器建模 5

2.1 四轴飞行器机械结构及控制原理 5

2.1.1 机械结构 5

2.1.2 控制原理 5

2.2 四轴飞行器姿态表示 8

2.2.1 坐标系的定义 8

2.2.2 坐标变换矩阵 9

2.3 四轴飞行器动力学模型 10

第3章 控制器方案与软件设计 13

3.1 控制器方案 13

3.1.1 控制器设计分析 13

3.1.2 PID控制理论基础 14

3.1.3 姿态控制 15

3.2 软件设计 17

3.2.1 系统构架图 17

3.2.2 系统流程图 17

3.2.3 软件实现 18

第4章 调试结果与分析 23

4.1 姿态控制测试 23

4.2 飞行试验 24

第5章 总结与展望 26

5.1 总结 26

5.2 展望 26

参考文献 28

致谢 29

绪论

课题研究背景及意义

近年来，随着航天技术的不断发展和成熟，无人机UAVs (Unmannedaerial vehicles)以其高机动性、生存能力强、战场威慑大、执行任务多样、具有隐身特性、多种作战能力和避免人员伤亡等特点[1]，引起了科学家、军队和搜索与救援组织的关注。无人飞行器自主飞行的技术一直是航空领域研究的热点，并且在实际应用中存在大量的需求，例如军事（侦察目标捕获与营救任务等），科学数据采集（地质、林业勘探、农业病虫害防治等），视频监控（航拍FPV、影视制作等）等。利用无人飞行器来完成上述任务可以大大降低成本和提高人员安全保障。

四轴飞行器属旋翼飞行器，具有操作简单、控制灵活，便于起降，可以悬停等优点，且在结构上与单翼直升机相比，结构紧凑、能有更大的载重空间的特点。同时可以通过反扭矩作用使四轴飞行器平衡，不需要专门的反扭矩旋翼，悬停性能更加良好，易于控制，对于操作者的要求不高。这对于广泛的应用推广具有重要的意义，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。

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