【正文】 （b）OS4II OS4I和OS4II 澳大利亞國立大學(xué)的X4 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對于四旋翼機(jī)的研究主要集中在幾所高校之中。目前國外四旋翼無人直升機(jī)的研究工作主要集中在以下三個方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行、基于視覺系統(tǒng)的自主飛行和自主飛行器系統(tǒng)。加拿大雷克海德大學(xué)（Lakehead University）的Tayebi和McGilvray證明了使用四旋翼設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定飛行[18]。目前商業(yè)化最成功的四旋翼無人直升機(jī)是加拿大RC Toys公司的遙控航模玩具Draganflyer，有很多研究單位的四旋翼機(jī)都是在它或者它的改進(jìn)系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)的。20世紀(jì)80年代隨著微小型飛機(jī)新型材料、微機(jī)電（MEMS）、微慣導(dǎo)（MIMU）的產(chǎn)生和飛行控制理論的發(fā)展，微小型飛機(jī)得到迅速發(fā)展。1922年美國軍方資助George de Bothezat研制了一個大型的四旋翼機(jī)（），但是飛行表現(xiàn)不能令人滿意，另外費(fèi)用高昂和當(dāng)時(shí)固定翼飛機(jī)的流行使得該項(xiàng)目最終擱淺。四旋翼直升機(jī)有一段漫長而又?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)的歷史[3][4]。 四旋翼直升機(jī)發(fā)展歷史過去的一百多年里，人類投入了大量的資金和努力來研究和設(shè)計(jì)旋翼機(jī)。由于對稱性，在機(jī)體Y方向也會產(chǎn)生相似的作用。 四旋翼直升機(jī)飛行原理示意圖 四旋翼直升機(jī)工作原理四旋翼直升機(jī)有4個控制輸入量，分別為四個旋翼的轉(zhuǎn)速；6個輸出量，分別為飛機(jī)位置量（x、y、z）和姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角、航向角)。而傳統(tǒng)直升機(jī)必須加一個尾翼用來平衡旋翼扭矩，這個尾翼對向上的推力無幫助作用，浪費(fèi)了能量。由于結(jié)構(gòu)的對稱性，四旋翼直升機(jī)在操縱性和機(jī)械機(jī)構(gòu)方面具有很多潛在的優(yōu)勢。s model and designed the PID controller control the attitude. From the results of actual system and simulation we have got a acceptable control effect, it verified the validity of the control system design.Key word: Unmanned four rotor helicopter, controller, Navigation, DSP71目 錄摘 要 IAbstract II1 緒論 1 引言 1 四旋翼直升機(jī)工作原理 1 四旋翼直升機(jī)發(fā)展歷史 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn) 2 國外研究現(xiàn)狀 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3 四旋翼直升機(jī)研究熱點(diǎn) 3 論文內(nèi)容安排 42 總體設(shè)計(jì) 6 設(shè)計(jì)目標(biāo) 6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 硬件總體設(shè)計(jì) 7 軟件總體設(shè)計(jì) 7 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 8 導(dǎo)航系統(tǒng) 8 控制算法 9 通信系統(tǒng) 9 電源系統(tǒng) 9 控制器選型 9 小結(jié) 103 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 硬件選型 11 傳感器選型 11 無線通信模塊選型 15 推進(jìn)組及電機(jī)驅(qū)動選型 15 處理器選型 16 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 硬件系統(tǒng)重量分布 18 DSP最小系設(shè)計(jì) 18 信號邏輯電平匹配設(shè)計(jì) 21 電路抗干擾設(shè)計(jì) 22 PCB布局及注意事項(xiàng) 23 小結(jié) 254 四旋翼無人機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 導(dǎo)航坐標(biāo)系描述 26 方向余弦陣 26 四元數(shù)法 27 四旋翼無人機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)設(shè)計(jì) 28 慣性導(dǎo)航方案設(shè)計(jì) 28 捷聯(lián)式慣導(dǎo)[44] 28 捷聯(lián)慣導(dǎo)簡化設(shè)計(jì) 30 31 分析條件 31 傳感器采樣數(shù)據(jù)處理 31 姿態(tài)角靜態(tài)穩(wěn)定性 35 捷聯(lián)慣導(dǎo)的校準(zhǔn) 36 結(jié)果分析 37 小結(jié) 385 四旋翼無人機(jī)建模與仿真 39 引言 39 系統(tǒng)建模 39 直線運(yùn)動的模型[17] [22[[50] [51] 39 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的模型 41 直流電機(jī)的模型[17] 42 四旋翼無人機(jī)模型參數(shù)辨識 42 模型參數(shù)辨識 43 辨識結(jié)果與分析 44 四旋翼無人直升機(jī)的控制器設(shè)計(jì) 47 四旋翼直升機(jī)的基本運(yùn)動狀態(tài) 47 四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)控制結(jié)構(gòu) 47 系統(tǒng)仿真分析 48 仿真平臺搭建 48 49 小結(jié) 506 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 51 引言 51 軟件系統(tǒng)總流程 51 系統(tǒng)初始化自檢模塊 52 軟件系統(tǒng)初始化 52 硬件系統(tǒng)初始化 52 數(shù)據(jù)采集模塊和無線通信模塊 53 數(shù)字羅盤信息采集 53 高度聲納的信息獲取 54 慣性傳感器參數(shù)的獲取 54 無線通訊模塊 55 A/D的軟件校正 55 數(shù)字濾波算法 56 捷聯(lián)慣導(dǎo)算法 57 小結(jié) 577 系統(tǒng)調(diào)試 58 引言 58 電源調(diào)試 58 DSP最小系統(tǒng)調(diào)試 58 數(shù)字羅盤和無線通信調(diào)試 59 聲納調(diào)試 60 加速度計(jì)和陀螺儀調(diào)試 61 系統(tǒng)調(diào)試 61 系統(tǒng)正向標(biāo)定 61 姿態(tài)控制參數(shù)調(diào)試 62 小結(jié) 648 總結(jié)與展望 65致 謝 67參考文獻(xiàn) 681 緒論 引言與固定翼飛機(jī)相比，旋翼機(jī)具有垂直起降的能力。The attitude control is the core question of flight control, unmanned four rotor helicopter structure specificity decides the specificity of the controller: unmanned four rotor helicopter has four propellers, may output four upward thrust forces, but have six control aims. The control system department needs simultaneously control four rotor39。s aircraft history. But because of the shortage of plexity and the maneuverability, it develops very slow. Recent years, along with new material, MEMS, MIMU and the flight control theory39。仿真和實(shí)際系統(tǒng)控制結(jié)果表明，該P(yáng)ID控制器可以得到較好的姿態(tài)控制效果，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。姿態(tài)控制是飛行控制的核心問題，四旋翼無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)特殊性決定了其控制器設(shè)計(jì)的特殊性：四旋翼無人直升機(jī)通過四個螺旋槳實(shí)現(xiàn)對六個被控量的控制，是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)。為了克服慣性導(dǎo)航固有的參數(shù)發(fā)散缺陷，本文給出了導(dǎo)航補(bǔ)償方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了補(bǔ)償方法的有效性。按功能將控制系統(tǒng)劃分成機(jī)體平臺、控制器模塊、傳感器模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊六個獨(dú)立的模塊。本文針對小型四旋翼無人直升機(jī)，以TMS320F28335為核心，設(shè)計(jì)了四旋翼無人直升機(jī)控制器的軟硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了近地環(huán)境下的姿態(tài)控制。近些年來，隨著新型材料、微機(jī)電（MEMS）、微慣導(dǎo)（MIMU）技術(shù)和飛行控制理論的發(fā)展，四旋翼無人直升機(jī)獲得了越來越多地關(guān)注。對于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。與我一同工作的同事對本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。學(xué) 位 論 文小型四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)申請學(xué)位級別 碩 士 專業(yè)名稱 控制理論與控制工程 學(xué)位授予單位和日期 南 京 理 工 大 學(xué) 答辯委員會主席 評閱人 注1：注明《國際十進(jìn)分類法UDC》的類號。 聲 明本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學(xué)位論文中，除了加以標(biāo)注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。研究生簽名： 年 月 日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部內(nèi)容。研究生簽名： 年 月 日 碩士論文 小型四旋翼無人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要四旋翼飛機(jī)由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操縱性差等缺點(diǎn)導(dǎo)致其研究進(jìn)展較為緩慢。四旋翼無人直升機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可用來環(huán)境監(jiān)視、情報(bào)搜集、高層建筑實(shí)時(shí)監(jiān)控、協(xié)助和救助、電影拍攝和氣象調(diào)查等；它還是火星探測無人飛行器的重要的研究方向之一。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、軟硬件整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了基于四元數(shù)法的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)檢驗(yàn)。為了克服A/D轉(zhuǎn)換存在的偏差和高頻噪聲問題，本文設(shè)計(jì)了軟件矯正算法數(shù)字低通濾波器，減少了A/D偏差，降低了高頻噪聲。本文建立了四旋翼無人機(jī)的非線性動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了PID控制器進(jìn)行姿態(tài)控制。關(guān)鍵詞：四旋翼無人直升機(jī)，控制器，捷聯(lián)慣導(dǎo)，DSPAbstractThe history of four rotor helicopter is almost as long as humanity39。s progress, unmanned four rotor helicopter obtained more and more attention.The main content of this paper is to design the controller of unmanned four rotor helicopter. The control system is divided in six independent modules according to the function: navigation system, controller, software system and debugging.The navigation system is a important ponent of the unmanned four rotor helicopter. According to the actual system, this paper designed a simplified inertial navigation system, and has carried on the reality system test.s thrust forces to achieve the flight plan. This paper has built system39。四旋翼直升機(jī)是一種外形獨(dú)特的旋翼機(jī)，國外對四旋翼飛機(jī)有多種叫法，如fourrotor、Quardrotor、X4Flyer、4 rotors helicopter等等[1]。旋翼3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼4逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼的扭矩會自動平衡。另外，由于四旋翼機(jī)的旋翼更小，轉(zhuǎn)速更高，因而其效率更高[2]；小旋翼也可以減少旋翼碰撞周圍建筑物的概率，飛行更加安全。四旋翼直升機(jī)通過調(diào)節(jié)對角線上旋翼的轉(zhuǎn)速來改變姿態(tài)：，3旋翼的推力不同會改變四旋翼直升機(jī)的俯仰角，同時(shí)在機(jī)體X方向產(chǎn)生一個加速度。四旋翼直升機(jī)改變對角旋翼的轉(zhuǎn)速大小，同時(shí)往相反方向改變另外一對旋翼的轉(zhuǎn)速的大小，兩對旋翼間扭矩便不再平衡，從而航向角改變。二十世紀(jì)早期，旋翼機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是制造出一個可以垂直起降和懸停的機(jī)器。最早的四旋翼飛機(jī)可以追溯到1907年，由Louis和Jacques Breguet等人研制出的“Gyroplane”?！瓾’型的四旋翼機(jī)（），但是由于工程人員缺乏足夠的興趣，該項(xiàng)目也最終停止。由于其廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值，四旋翼無人直升機(jī)吸引了大批研究人員和學(xué)者的關(guān)注。 George de Bothezat制作的四旋翼機(jī) 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn) 國外研究現(xiàn)狀國外對四旋翼無人直升機(jī)研究非?；钴S。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的McKerrow對Draganflyer進(jìn)行了精確建模 [19]。典型代表有瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的OS4（）[4] [5]、澳大利亞國立大學(xué)的X4()[6] [7]、賓夕法尼亞大學(xué)的HMX4[3]、佐治亞理工大學(xué)的GTMARS[3]、斯坦福的‘Mesicopter’ [3] [8]等等。例如國防科技大學(xué)[3][9]、南京航空航天大學(xué)[1][4][10][11]、西北工業(yè)大學(xué)[12]、中國空空導(dǎo)彈研究院[12]、電子科技集團(tuán)第二十七研究所[13]、吉林大學(xué)[14]、北京科技大學(xué)[15]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)[16]等等。例如，針對無人機(jī)模型的不確定性和非線性設(shè)計(jì)的DI/QFT（動態(tài)逆/定量反饋理論）控制器[1][11]，國防科技大學(xué)提出的自抗擾控制器（ADRC）可以對小型四旋翼直升機(jī)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)增穩(wěn)控制[9]，還有一些經(jīng)典的方法比如PID[17][11]控制、[16]控制等。（1）四旋翼無人直升機(jī)的建模澳大利亞臥龍崗大學(xué)的McKerrow對Draganflyer進(jìn)行了精確建模[19]。斯坦福的研究小組也對自己的試驗(yàn)平臺（STARMAC）進(jìn)行了建模和參數(shù)辨識工作[21]。（2）四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)控制姿態(tài)控制是四旋翼飛行控制系統(tǒng)的核心。對于四旋翼無人直升機(jī)的姿態(tài)控制，很多文獻(xiàn)給出的都是傳統(tǒng)的PID和狀態(tài)空間控制方法，還有一部分是滑