四旋翼无人机速度控制系统设计(附件)【字数：15443】
摘 要摘 要近几年，四旋翼无人机成为市场上最受欢迎的一种飞行器。四旋翼无人机结构简单、操作灵活、性价比高，具有很大的市场价值。四旋翼无人机系统是典型的非线性、欠驱动型、易受外界环境干扰的系统，因此为了进一步提高飞行器的性能，本文提出通过自适应PID算法来控制无人机的速度系统。首先对无人机采集的信号利用扩展卡尔曼滤波器来消除噪声，然后通过自适应PID算法对无人机姿态角进行控制。本文首先建立四旋翼无人机的数学模型，然后完成部分四旋翼无人机结构的设计，最后以四旋翼无人机速度模型作为被控对象，利用扩展卡尔曼滤波器、自适应PID算法进行控制。仿真结果表明，利用扩展卡尔曼滤波消除噪声后，真实值和估计值比较相差很小，说明扩展卡尔曼滤波器能大大降低噪声。同样通过自适应PID算法控制的无人机姿态角变化也能达到预期值，使四旋翼飞行器飞行更加稳定。关键词四旋翼无人机；扩展卡尔曼滤波；自适应PID
目录
第一章 绪论 1
1.1 四旋翼飞行器的研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状和发展 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内现状 1
1.3 四旋翼飞行器的关键技术 1
1.3.1 数学模型 1
1.3.2 控制算法 1
1.3.3 电子技术 1
1.3.4 动力系统 1
1.4 本文研究内容和主要工作 1
第二章 四旋翼飞行器飞行控制系统硬件设计 1
2.1 四旋翼飞行器系统总的架构 1
2.2 四旋翼无人机的主控制芯片 1
2.3 四旋翼无人机传感器模块 1
2.3.1 MPU6050(三轴陀螺仪+三轴加速计) 1
2.3.2 MEAS MS5611气压计 1
2.4 直流无刷电机设计 1
2.5 无线遥控模块 1
2.6 电源模块 1
2.7 本章小结 1
第三章 四旋翼飞行器系统数学模型及系统组成 1
3.1 四旋翼飞行器原理介绍 1
3.2 坐标定义 1
3.3 数学建模 1
3.4 速度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
建模 1
3.5 系统组成 1
3.6 本章小结 1
第四章扩展卡尔曼滤波 1
4.1卡尔曼滤波简介 1
4.2扩展卡尔曼滤波原理 1
4.2.1局部线性化 1
4.2.2线性卡尔曼滤波 1
4.3扩展卡尔曼滤波对非线性系统设计 1
4.3.1原理介绍 1
4.3.2设计步骤 1
4.3.3仿真实验 1
4.4 本章小结 1
第五章 自适应PID控制 1
5.1 常规PID 1
5.1.1常规PID的控制理论基础 1
5.1.2 PID控制器原理 1
5.1.3仿真结果和实验分析 1
5.2自适应PID控制介绍 1
5.2.1含义 1
5.2.2类型 1
5.3自适应PID控制器设计 1
5.4 模糊PID控制器设计 1
5.4.1 模糊PID控制器设计原理和步骤 1
5.4.2 姿态角控制算法的仿真 1
5.5 本章小结 1
结 论 1
致 谢 1
参 考 文 献 1
第一章 绪论
1.1 四旋翼飞行器的研究背景和意义
四旋翼飞行器是一种很新潮的飞行器，其外观新颖、结构简单，并具有一定的应用价值，包括航空拍摄、森林救火、气象观测、电影拍摄、反恐等等领域。它是一种融合了各种技术的综合飞行器系统。四旋翼飞行器区别于普通的无人机，四旋翼无人机不必担心螺旋桨转动时产生转矩，给飞行器带来不稳定因素。
四旋翼飞行器有很多其他飞行器比不了的优点包括：机体结构简单、简易灵活，可以用于多用途。四旋翼无人机和我们通常的固定翼飞行器相比，具有节省起飞降落时间、可操纵性强和更能使四旋翼飞行器稳定飞行等优点。四旋翼飞行机器人是一种比较特殊旋翼飞行器，其四个旋翼和电机以十字形或者叉字型分布于机体的四个方向。其中的微小型四旋翼无人飞行机器人更是焦点中的焦点，成为目前四旋翼飞行机器人研究的主要方面。微小型四旋翼无人飞行器可以广泛应用于观察野生动物、灾难救援、反恐侦察和农业监测等方方面面[1]。
四旋翼无人机是一种具有六自由度，典型的具有强耦合性、欠驱动、非线性、易受外界环境干扰的系统，所以四旋翼无人机的自主稳定飞行仍是研究的主要课题。其中，速度控制器的设计是无人机设计关键。利用无刷电机作为动力输出，卡尔曼滤波器来减少各种过程噪声和观测噪声的干扰，合适的控制算法保证该飞行器系统有良好的飞行控制和稳定性能。PID控制作为工业工程中最先应用的控制算法之一，被较为广泛的运用于四旋翼无人机速度控制系统中。系统通过自适应PID进行控制，抗干扰能力强，系统的可靠性增大，能更好的实现无人机自主稳定飞行。
1.2 国内外研究现状和发展
在如今技术飞速发展的时代，无人机成为了新时代的产物，各个国家都在致力于对它的研究，成为了社会发展最快的新兴产业之一。
1.2.1 国外研究现状
国外四旋翼无人机研究相对较早，开始于20世纪初期，法国Breguet兄弟于1907年将他们制造的世界上第一架四旋翼直升机并进行了试飞，但是由于当时技术条件的限制，特别是自动控制理论尚未形成体系，所以这架四旋翼直升机没有采用任何自动控制理论，所以试飞效果也就仅仅能够短时间离开地面[2]。虽然这次试飞并没有取得较为理想的效果，但是它是直升机方面的一个重大创新，为四旋翼无人机的发展定下了一个开端，可以说这款四旋翼直升机四旋翼无人机研究的起点。到1921年，美国空军研制出另一款大型的四旋翼直升机，该无人机由一个单发动机驱动，这款无人机先后一共进行了100多次试飞，但是始终没有获得一个良好的飞行控制，最终被美国空军放弃该项目。1924年是四旋翼无人机发展道路上非常具有代表性的一年，一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，首次实现了1km的垂直飞行,这一次飞行打破了以前四旋翼无人机屡次试飞不理想的情况，这在当时绝对算得上是一项非常伟大的成就。在随后的几十年内四旋翼无人机几乎没有取得什么发展，直到在近十年来四旋翼无人机的研究才取得了较大进展。
目录
第一章 绪论 1
1.1 四旋翼飞行器的研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状和发展 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内现状 1
1.3 四旋翼飞行器的关键技术 1
1.3.1 数学模型 1
1.3.2 控制算法 1
1.3.3 电子技术 1
1.3.4 动力系统 1
1.4 本文研究内容和主要工作 1
第二章 四旋翼飞行器飞行控制系统硬件设计 1
2.1 四旋翼飞行器系统总的架构 1
2.2 四旋翼无人机的主控制芯片 1
2.3 四旋翼无人机传感器模块 1
2.3.1 MPU6050(三轴陀螺仪+三轴加速计) 1
2.3.2 MEAS MS5611气压计 1
2.4 直流无刷电机设计 1
2.5 无线遥控模块 1
2.6 电源模块 1
2.7 本章小结 1
第三章 四旋翼飞行器系统数学模型及系统组成 1
3.1 四旋翼飞行器原理介绍 1
3.2 坐标定义 1
3.3 数学建模 1
3.4 速度 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
建模 1
3.5 系统组成 1
3.6 本章小结 1
第四章扩展卡尔曼滤波 1
4.1卡尔曼滤波简介 1
4.2扩展卡尔曼滤波原理 1
4.2.1局部线性化 1
4.2.2线性卡尔曼滤波 1
4.3扩展卡尔曼滤波对非线性系统设计 1
4.3.1原理介绍 1
4.3.2设计步骤 1
4.3.3仿真实验 1
4.4 本章小结 1
第五章 自适应PID控制 1
5.1 常规PID 1
5.1.1常规PID的控制理论基础 1
5.1.2 PID控制器原理 1
5.1.3仿真结果和实验分析 1
5.2自适应PID控制介绍 1
5.2.1含义 1
5.2.2类型 1
5.3自适应PID控制器设计 1
5.4 模糊PID控制器设计 1
5.4.1 模糊PID控制器设计原理和步骤 1
5.4.2 姿态角控制算法的仿真 1
5.5 本章小结 1
结 论 1
致 谢 1
参 考 文 献 1
第一章 绪论
1.1 四旋翼飞行器的研究背景和意义
四旋翼飞行器是一种很新潮的飞行器，其外观新颖、结构简单，并具有一定的应用价值，包括航空拍摄、森林救火、气象观测、电影拍摄、反恐等等领域。它是一种融合了各种技术的综合飞行器系统。四旋翼飞行器区别于普通的无人机，四旋翼无人机不必担心螺旋桨转动时产生转矩，给飞行器带来不稳定因素。
四旋翼飞行器有很多其他飞行器比不了的优点包括：机体结构简单、简易灵活，可以用于多用途。四旋翼无人机和我们通常的固定翼飞行器相比，具有节省起飞降落时间、可操纵性强和更能使四旋翼飞行器稳定飞行等优点。四旋翼飞行机器人是一种比较特殊旋翼飞行器，其四个旋翼和电机以十字形或者叉字型分布于机体的四个方向。其中的微小型四旋翼无人飞行机器人更是焦点中的焦点，成为目前四旋翼飞行机器人研究的主要方面。微小型四旋翼无人飞行器可以广泛应用于观察野生动物、灾难救援、反恐侦察和农业监测等方方面面[1]。
四旋翼无人机是一种具有六自由度，典型的具有强耦合性、欠驱动、非线性、易受外界环境干扰的系统，所以四旋翼无人机的自主稳定飞行仍是研究的主要课题。其中，速度控制器的设计是无人机设计关键。利用无刷电机作为动力输出，卡尔曼滤波器来减少各种过程噪声和观测噪声的干扰，合适的控制算法保证该飞行器系统有良好的飞行控制和稳定性能。PID控制作为工业工程中最先应用的控制算法之一，被较为广泛的运用于四旋翼无人机速度控制系统中。系统通过自适应PID进行控制，抗干扰能力强，系统的可靠性增大，能更好的实现无人机自主稳定飞行。
1.2 国内外研究现状和发展
在如今技术飞速发展的时代，无人机成为了新时代的产物，各个国家都在致力于对它的研究，成为了社会发展最快的新兴产业之一。
1.2.1 国外研究现状
国外四旋翼无人机研究相对较早，开始于20世纪初期，法国Breguet兄弟于1907年将他们制造的世界上第一架四旋翼直升机并进行了试飞，但是由于当时技术条件的限制，特别是自动控制理论尚未形成体系，所以这架四旋翼直升机没有采用任何自动控制理论，所以试飞效果也就仅仅能够短时间离开地面[2]。虽然这次试飞并没有取得较为理想的效果，但是它是直升机方面的一个重大创新，为四旋翼无人机的发展定下了一个开端，可以说这款四旋翼直升机四旋翼无人机研究的起点。到1921年，美国空军研制出另一款大型的四旋翼直升机，该无人机由一个单发动机驱动，这款无人机先后一共进行了100多次试飞，但是始终没有获得一个良好的飞行控制，最终被美国空军放弃该项目。1924年是四旋翼无人机发展道路上非常具有代表性的一年，一种叫做Oemichen的四旋翼直升机，首次实现了1km的垂直飞行,这一次飞行打破了以前四旋翼无人机屡次试飞不理想的情况，这在当时绝对算得上是一项非常伟大的成就。在随后的几十年内四旋翼无人机几乎没有取得什么发展，直到在近十年来四旋翼无人机的研究才取得了较大进展。
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