四旋翼无人机飞行控制系统的研究.docx

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华中科技大学硕士学位论文

摘要

四旋翼无人机是近年来无人机研究领域中热门研究机型之一，其体积小、飞行方式灵活、可携带一定载荷等特点使其在军事侦察、航拍、农业植保、电力巡线等方面有着广泛的应用。在电子及材料技术飞速发展的今天，其性能将会有更大的提升空间，其用途将会有更广阔的发展前景，其研究深度和广度将会更进一步拓展。对四旋翼无人机的研究，重点要研究其飞行控制系统，因为飞行控制系统的研究是保证四旋翼无人机安全稳定飞行的关键所在。

本文首先阐述了四旋翼无人机飞行控制系统的研究背景，分析了四旋翼无人机飞行控制系统在国内外的研究现状，并据此明确了本文的主要研究方向和研究内容。在对四旋翼无人机飞行控制系统的研究过程中，从其飞行原理出发，运用空气动力学及力-力矩平衡等原理建立四旋翼无人机的数学模型。根据项目的性能指标和技术要求，采用STM32F407作为主CPU设计了四旋翼无人机的硬件实验平台，STM32F407相对于传统单片机拥有较高的主频，使四旋翼无人机的工作性能得以保证。利用卡尔曼滤波对多传感器数据进行融合得到正确的飞行姿态信息，并以该飞行姿态信息为依据对飞行控制算法进行研究。基于所设计的硬件平台，进行了飞行控制系统的软件设计和控制算法研究，并尝试用PID控制方法增加加速度内环控制解决飞机在降落时产生的地面效应，这是一种新的尝试和研究。

最后进行了大量相关实验并获得了宝贵的实验数据，达到了预期的目标。

关键词：四旋翼无人机卡尔曼滤波PID控制STM32F407

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华中科技大学硕士学位论文

ABSTRACT

Four-rotorunmannedaerialvehicleisoneofthehottestresearchmodelsinthefieldofUAVinrecentyears,itssmallsize,flexibleflightmode,abilityofcarryingcertainloads,makeithaveawideapplicationinmilitaryreconnaissance,aerialshoot,agriculturalplantprotection,electricpowerpatrollineandsoon.Withthedevelopmentofelectronicandmaterialstechnology,itwillhavegreaterperformanceandawiderdevelopment,andwillbefurtherresearched.Theresearchofthefour-rotorUAVisfocusedonitsflightcontrolsystem,becausetheresearchofitisthekeytoensureasafeandstableflight.

Firstly,thispaperexpoundstheresearchbackgroundoftheflightcontrolsystemoffour-rotorUAV,analyzestheresearchactualityofitathomeandabroad,andthenmakesclearthemainresearchdirectionandresearchcontentofthispaper.Intheresearchprocessofit,themathematicmodeloffour-rotorUAVisestablishedbyusingtheprincipleofaerodynamicandforce-torqueequilibrium.Accordingtotheperformanceindexandtechnicalrequirementsoftheproject,thehardwareexperimentplatformofUAVisdesignedbyusingSTM32F407asmainCPU,STM32F407comparedwiththetraditionalMCUhasah