飞行器自主控制技术研究 .pdfVIP

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文

摘要

随着自动控制技术和智能决策技术的不断发展，无人机凭借其低成本，零伤

亡，可重复使用和高机动等优点，成为了当代战争的重要作战工具之一，有着不

可替代的作用。旋翼式飞行器作为一种无人机，其起飞和降落所需空间较少，在

障碍物密集环境下的操控性较高，以及飞行器姿态保持能力较强的优点，在民用

和军事领域都有广泛的应用前景。尤其是近年来对四旋翼飞行器的研究成果较

多，融合了自动控制、传感以及计算机科学等诸多技术，成为了未来无人机的主

要发展趋势，并成为目前重点的研究对象。

由于四旋翼飞行器具有体积小、重量轻、功耗低、具有多变量、非线性、强

耦合、欠驱动等特性，其控制问题一直是该领域的研究重点。本论文的主要工作

如下：

1）本文首先对小型四旋翼飞行器的国内外研究现状进行了简单的介绍；介

绍四旋翼无人飞行器涉及的关键技术，设计了四旋翼无人飞行器整体结构，包括

四旋翼无人飞行器的机械结构、控制系统硬件，搭建四旋翼无人飞行器研究平台。

2）对四旋翼无人飞行器进行力学分析，以小型四旋翼飞行器为实际对象，

对四旋翼的建模和控制方法做了研究。根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学

特性做详尽的分析和研究，在此基础上建立四旋翼飞行器的动力学模型，四旋翼

飞行器有各种的运行状态，并对飞行器进行力学分析。

3）通过选取四旋翼无人飞行器在运动过程中的受力分析，完成对其动力学

模型的建立，通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。进一步推出四旋

翼无人飞行器在旋转运动和直线运动上的传递函数，针对现有四旋翼无人飞行器

结构，建立机体坐标系，为四旋翼无人飞行器的飞行控制器的设计提供了可靠的

控制模型。

4）通过Matlab中的Simulink模块，分别对姿态回路PI控制算法、姿态和

位置回路的PID控制算法和积分分离PID控制算法进行了仿真，通过对PID飞

行控制算法进行Matlab仿真可知，四旋翼无人飞行器在PI、PID、积分分离PID

控制算法下是可控的。

通过仿真观察到飞行器能够基本达到稳定飞行的目的，不过在在实际检测系

统中还是容易受到干扰，所以还是需要必要的控制。再验证了控制算法的有效性，

I

西北工业大学明德学院本科毕业设计论文

并提出改进意见和方法。

关键词：四旋翼无人飞行器，动力学模型，PID控制

II

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ABSTRACT

SincetheUA

thereforeplaysanirreplaceableroleinthecurrentwar,widelywelcomedbythe

departments,researchinstitutes,researchfocus,Rotary-wingaircrafttake-offand

abilitytomaintainastrongandspacecraftattitudeadvantagesincivilandmilitary

fieldshaveawiderangeofapplicationsrequired.Amongthem,fourrotorcraft

advancedsensortechnologyandcomputerscience,andmanyothertechnicalfields

providesaplatform.

multivariable,nonlinear,strongcoupling,duetothedriverandotherfeatures,its

follows:

Firstly,theresearchstatusofsmallfour-rotoraircraftconductedabrief

introduction;introducesthekeytechnologiesinvolvedinthefour-rotorUAV,

designedthefour-rotorUAVwh