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作者：

杨萌

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摘要：

四旋翼飞行器是一种由四组电机旋翼联合驱动从而实现垂直起降、横滚、俯仰等一系列空中动作的无人飞行器,其主要的特点有机动性与操控性强、结构简单新颖、制造成本低、易于实现定点悬停等,具有广泛的应用前景。在军事战场上,特别是近地环境,可以用于执行战场侦查与监视,其优良的隐蔽性与机动性可执行某些士兵无法完成的任务,甚至可配备电子干扰器或者小型武器,对敌方目标发起直接攻击。在民用方面,可将其应用到森林、山地、海洋等地形复杂的环境中执行搜索、救援等任务。在工业方面,可利用其对道路桥梁、输油管道、电力输送设备等进行安全巡检,不仅能够降低成本,而且能够提高巡检效率。因此,四旋翼飞行器的开发与应用获得了众多科研人员的关注。本文设计了一套四旋翼飞行器的控制系统,完成了样机的搭建。依据飞行器的飞行原理,分别完成了PID控制器与无模型控制器的设计。通过悬停飞行实验,对两种控制器在姿态控制的稳定性以及抗扰动性方面进行了研究。本文主要包括以下内容:1、针对任务要求与性能需求,提出了一种四旋翼飞行器飞行控制系统的硬件总体方案。综合考虑性能、功耗、价格等因素选取合适的电子器材,以STM32为主控制器,配合陀螺仪传感器、加速度传感器、高度计等来设计姿态控制系统,选取直流无刷电机作为动力机构。设计了相关的硬件电路图,并完成四旋翼飞行器样机的制作。2、四旋翼飞行器控制算法的研究是本文的重点内容,本文首先介绍了基于动力学简化模型的PID控制器,该控制器是具有姿态控制回路与位置控制回路的双环结构。然后,根据四旋翼飞行器难以建立精准的动力学模型这个特点,提出了一种新的无模型控制器的实现方案。3、以所制作的四旋翼飞行器为平台,分别应用两种控制算法进行悬停飞行实验,验证了两种控制器在俯仰角、滚转角、高度控制的稳定性以及抗扰动的性能。实验结果表明,两种控制器均能达到理想的控制效果,且各具有优势。

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关键词：

四旋翼飞行器 PID控制 无模型控制器 飞行控制系统 STM32 quadrotors PID control model-free controller flight control system STM32