四旋翼飞行器控制系统的设计与研究
摘 要四旋翼飞行器，也称为Quadrotor，Four-rotor，4 rotors helicopter，X4-flyer等，是一种外形新颖，性能优越的垂直起降无人飞行器，具有结构简单、操作灵活、带载能力强等特点，具有重要的军事和民用价值，例如军事攻击、军事侦查、人员搜救、农林业灌溉、高空航拍等，当前正朝着智能化、娱乐化等方向发展，研究前景非常宽广。四旋翼飞行器具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，四个旋翼分位两组，两组的旋转方向不同。本文通过研究四旋翼飞行器的动力学原理、设计了总体硬件方案，并合理配置各硬件功能模块，如电源模块、电机及驱动模块、传感器模块、无线通讯模块和飞行控制器模块。在软件方面，主控制器将姿态测量器件测量得到的数据进行融合、处理，完成姿态解算，再计算得出对电机的转速控制量，从而驱动电机调整转速改变飞行器的航行姿态。通过对姿态表示方法和融合算法的对比，系统最终选择了用欧拉角来描述，用四元数法来进行姿态表示，并采用了卡尔曼滤波算法进行数据融合，二者结合进行姿态估计的整个过程。在控制算法方面，全面分析了串级PID控制的原理，选择了串级PID方案对四旋翼飞行器控制。论文最后对设计成果进行了实地飞行，试验表明设计的四轴飞行器已初步实现了预先设定飞行任务。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的研究内容 5
第2章 四旋翼飞行器的工作原理 7
2.1 工作原理 7
2.2 动力学分析 7
2.3 姿态角的力学分析 10
2.3.1 坐标系的构建 10
2.3.2 俯仰角力学分析 12
2.3.3 俯仰角力学分析 13
2.3.4 偏航角力学分析 13
第3章 四旋翼飞行器的硬件设计 14
3.1 硬件结构框架 14
3.2 电源模块 14
3.3 电机及驱动模块 15
3.3.1 电子调速器 15
3.3.2 电机 16
3.4 机架 17<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 3.5 桨翼 17
3.6 飞行控制器 17
3.7 传感器模块 20
3.7.1 加速度计 21
3.7.2 陀螺仪 21
3.7.3 磁力计 24
3.7.4 气压计 26
3.8 无线通信模块 27
第4章 四旋翼飞行器控制系统设计 28
4.1 姿态表示方法 28
4.1.1 四元数法 28
4.1.2 欧拉角法 28
4.1.3 方向余弦法 29
4.2 姿态融合算法 29
4.2.1卡尔曼滤波 29
4.2.2互补滤波 30
4.3 姿态解算的过程实现 30
4.4 控制算法 33
4.4.1 串级PID的控制系统 33
4.4.2 姿态控制算法 33
4.2.3 定点悬停控制算法 34
第5章 实验验证 35
5.1 飞行试验 35
5.2 存在问题 36
第6章 总结 37
6.1 工作回顾 37
6.2 研究展望 37
参考文献 39
致 谢 41
附 录 42
附录A 硬件清单 42
附录B 核心代码 43
附录C 英文文献 49
附录D 文献翻译 68
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicl ，简称UAV）是指具备动力装置，而不需要操作人员的飞行器；它利用空气动力来抵消自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行 [1]。近年来科研水平的快速提升，无人机的研究速度大大加快，大量研究成果得以在军事、民用和航天领域投产，例如：无人侦查，地质勘探，农林业灌溉播种，人员搜救，无线通信等，使用无人机可以使任务快速完成，降低费用，减少人力消耗 [2]。
根据机翼类型分类，无人飞行器有固定翼式和旋翼式两种。固定翼无人飞行器在近几十年得到大量研究应用，技术相对更加成熟。旋翼式无人飞行器因为其具有多个旋翼控制方式也更加复杂和困难，所以研究进展速度比较低。固定翼式飞行器的机动性能相对要比旋翼式要差许多，因为旋翼式受空间限制较小，即使在非常狭窄的空间里也能够垂直起降，全方向飞行和定点悬停，实现多种航行姿势，且其航行姿势维持能力很强。另外产生升力大小相等的飞行器，旋翼式体积更小，机械构造更简单，仅调整旋翼电机转速即可稳定飞行。旋翼式飞行器的种种优点也就说明了其在将来会登上广大的运用舞台 [3]。
然而，旋翼式无人飞行器的探究也会牵涉到其他的众多学科范围的高级、精密、尖端技术，如：航空动力理论、自动巡航、智能检测等方面。如今，由于检测、处理器和IT技术的成熟，旋翼式飞行器的研发项目上取得了重大的突破，另一方面这也给许多学科的科研发展提供了一个交流的舞台。由此可知，不仅是在技术科研领域，还是技术运用领域旋翼式飞行器的研究都存在着很大必要。
1.2 国内外研究现状
由于四旋翼飞行器在军事、民用等领域存在很大潜在研究价值，众多的研究者和航模爱好者为其吸引，国内外的专家学者都对此展开了深入的研究工作；四旋翼飞行器的研究也在朝着各个新的研究方向深入下去，例如自主导航、智能化、娱乐化、微型化、军事化等。下面列出的是一些近些年来在智能化、娱乐化、微型化等方面具有典型性的四旋翼飞行器。
RC公司的Draganflyer（多敢飞）
Draganflyer系列由美国RC玩具公司研制，是一款世界著名的商业、工业遥控型摄像四旋翼飞行器，用于空中高清航拍是其特色 [4]。Draganflyer系列采用遥控完成飞行控制，其板载控制系统包括角速度传感器、处理数据和执行控制的微控制器，无线接收器和提升室外稳定性能的红外热传感器等。Draganflyer最新产品可搭载多种高清摄像设备，MicroSD黑匣子数据记录模块，配备的GPS用于自主导航，通过遥控器的液晶显示屏能实时观察飞行位置。其采用全碳纤维可折叠式机架，重量为1700g（60盎司），有效载荷可达800g（28.2盎司），最大总起飞重量2700g（95盎司），最大飞行高度约2.5km。Draganflyer不仅拥有酷炫的外观和精美的工业设计，而且拥有强大震撼的功能以及超强的稳定性。
图11 Draganflyer×4飞行器
斯坦福大学（Stanford）的Mesicopter
Mesicopter是当今全球有名的微型四旋翼飞行器。Mesicopter是由斯坦福大学研究学者为研究旋翼式微型飞行器技术而设计的，这个项目得到了美国国家航空航天局的大力扶持 [5]。Mesicopter体现出了四旋翼飞行器极端先进的设计理念，采用微电路制造技术设计。Mesicopter如此小的机身体现出其高度的集成化，大小仅有一个厘米级，仅有15mm直径和0.08mm厚度的旋翼是由重约320mg的微型电机进行驱动。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的研究内容 5
第2章 四旋翼飞行器的工作原理 7
2.1 工作原理 7
2.2 动力学分析 7
2.3 姿态角的力学分析 10
2.3.1 坐标系的构建 10
2.3.2 俯仰角力学分析 12
2.3.3 俯仰角力学分析 13
2.3.4 偏航角力学分析 13
第3章 四旋翼飞行器的硬件设计 14
3.1 硬件结构框架 14
3.2 电源模块 14
3.3 电机及驱动模块 15
3.3.1 电子调速器 15
3.3.2 电机 16
3.4 机架 17<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 3.5 桨翼 17
3.6 飞行控制器 17
3.7 传感器模块 20
3.7.1 加速度计 21
3.7.2 陀螺仪 21
3.7.3 磁力计 24
3.7.4 气压计 26
3.8 无线通信模块 27
第4章 四旋翼飞行器控制系统设计 28
4.1 姿态表示方法 28
4.1.1 四元数法 28
4.1.2 欧拉角法 28
4.1.3 方向余弦法 29
4.2 姿态融合算法 29
4.2.1卡尔曼滤波 29
4.2.2互补滤波 30
4.3 姿态解算的过程实现 30
4.4 控制算法 33
4.4.1 串级PID的控制系统 33
4.4.2 姿态控制算法 33
4.2.3 定点悬停控制算法 34
第5章 实验验证 35
5.1 飞行试验 35
5.2 存在问题 36
第6章 总结 37
6.1 工作回顾 37
6.2 研究展望 37
参考文献 39
致 谢 41
附 录 42
附录A 硬件清单 42
附录B 核心代码 43
附录C 英文文献 49
附录D 文献翻译 68
第1章 绪论
1.1 课题研究背景
无人飞行器（Unmanned Aerial Vehicl ，简称UAV）是指具备动力装置，而不需要操作人员的飞行器；它利用空气动力来抵消自身的重量，可以实现自主飞行或者遥控飞行 [1]。近年来科研水平的快速提升，无人机的研究速度大大加快，大量研究成果得以在军事、民用和航天领域投产，例如：无人侦查，地质勘探，农林业灌溉播种，人员搜救，无线通信等，使用无人机可以使任务快速完成，降低费用，减少人力消耗 [2]。
根据机翼类型分类，无人飞行器有固定翼式和旋翼式两种。固定翼无人飞行器在近几十年得到大量研究应用，技术相对更加成熟。旋翼式无人飞行器因为其具有多个旋翼控制方式也更加复杂和困难，所以研究进展速度比较低。固定翼式飞行器的机动性能相对要比旋翼式要差许多，因为旋翼式受空间限制较小，即使在非常狭窄的空间里也能够垂直起降，全方向飞行和定点悬停，实现多种航行姿势，且其航行姿势维持能力很强。另外产生升力大小相等的飞行器，旋翼式体积更小，机械构造更简单，仅调整旋翼电机转速即可稳定飞行。旋翼式飞行器的种种优点也就说明了其在将来会登上广大的运用舞台 [3]。
然而，旋翼式无人飞行器的探究也会牵涉到其他的众多学科范围的高级、精密、尖端技术，如：航空动力理论、自动巡航、智能检测等方面。如今，由于检测、处理器和IT技术的成熟，旋翼式飞行器的研发项目上取得了重大的突破，另一方面这也给许多学科的科研发展提供了一个交流的舞台。由此可知，不仅是在技术科研领域，还是技术运用领域旋翼式飞行器的研究都存在着很大必要。
1.2 国内外研究现状
由于四旋翼飞行器在军事、民用等领域存在很大潜在研究价值，众多的研究者和航模爱好者为其吸引，国内外的专家学者都对此展开了深入的研究工作；四旋翼飞行器的研究也在朝着各个新的研究方向深入下去，例如自主导航、智能化、娱乐化、微型化、军事化等。下面列出的是一些近些年来在智能化、娱乐化、微型化等方面具有典型性的四旋翼飞行器。
RC公司的Draganflyer（多敢飞）
Draganflyer系列由美国RC玩具公司研制，是一款世界著名的商业、工业遥控型摄像四旋翼飞行器，用于空中高清航拍是其特色 [4]。Draganflyer系列采用遥控完成飞行控制，其板载控制系统包括角速度传感器、处理数据和执行控制的微控制器，无线接收器和提升室外稳定性能的红外热传感器等。Draganflyer最新产品可搭载多种高清摄像设备，MicroSD黑匣子数据记录模块，配备的GPS用于自主导航，通过遥控器的液晶显示屏能实时观察飞行位置。其采用全碳纤维可折叠式机架，重量为1700g（60盎司），有效载荷可达800g（28.2盎司），最大总起飞重量2700g（95盎司），最大飞行高度约2.5km。Draganflyer不仅拥有酷炫的外观和精美的工业设计，而且拥有强大震撼的功能以及超强的稳定性。
图11 Draganflyer×4飞行器
斯坦福大学（Stanford）的Mesicopter
Mesicopter是当今全球有名的微型四旋翼飞行器。Mesicopter是由斯坦福大学研究学者为研究旋翼式微型飞行器技术而设计的，这个项目得到了美国国家航空航天局的大力扶持 [5]。Mesicopter体现出了四旋翼飞行器极端先进的设计理念，采用微电路制造技术设计。Mesicopter如此小的机身体现出其高度的集成化，大小仅有一个厘米级，仅有15mm直径和0.08mm厚度的旋翼是由重约320mg的微型电机进行驱动。
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