【正文】 術(shù)；然后根據(jù)本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)將捷聯(lián)慣導(dǎo)簡(jiǎn)化處理；接下來(lái)進(jìn)行捷聯(lián)慣性導(dǎo)航算法的姿態(tài)解算；最后，給出了各姿態(tài)角隨時(shí)間變化曲線。第二章為總體設(shè)計(jì)，首先將軟硬件系統(tǒng)分解成基本功能模塊，分別介紹了分各模塊的功能和作用；接下來(lái)給出了了各功能模塊的設(shè)計(jì)思路，為以下各章內(nèi)容做準(zhǔn)備。給出了一組高效指引編隊(duì)飛行的命令。MIT的研究人員對(duì)四旋翼無(wú)人機(jī)的研究工作處于世界領(lǐng)先地位，他們開(kāi)發(fā)了室內(nèi)多任務(wù)、多場(chǎng)景、長(zhǎng)時(shí)間UAV任務(wù)測(cè)試平臺(tái)（）[30]。另外還有文獻(xiàn)給出了全狀態(tài)反推法(full state backstepping)[25]、基于不變流型(Kinematicsbased)的控制法[26]、切換控制[27]、基于視覺(jué)的控制[7][28][29]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和改進(jìn)魯棒自適應(yīng)模糊控制等等。對(duì)于四旋翼無(wú)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，還有一部分是滑模和控制。（2）四旋翼無(wú)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。斯坦福的研究小組也對(duì)自己的試驗(yàn)平臺(tái)（STARMAC）進(jìn)行了建模和參數(shù)辨識(shí)工作[21]。（1）四旋翼無(wú)人直升機(jī)的建模澳大利亞臥龍崗大學(xué)的McKerrow對(duì)Draganflyer進(jìn)行了精確建模[19]。例如，針對(duì)無(wú)人機(jī)模型的不確定性和非線性設(shè)計(jì)的DI/QFT（動(dòng)態(tài)逆/定量反饋理論）控制器[1][11]，國(guó)防科技大學(xué)提出的自抗擾控制器（ADRC）可以對(duì)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。例如國(guó)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(guó)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。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(guó)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。澳大利亞臥龍崗大學(xué)的McKerrow對(duì)Draganflyer進(jìn)行了精確建模 [19]。 George de Bothezat制作的四旋翼機(jī) 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn) 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)四旋翼無(wú)人直升機(jī)研究非常活躍。由于其廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值，四旋翼無(wú)人直升機(jī)吸引了大批研究人員和學(xué)者的關(guān)注?！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。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”。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(gè)可以垂直起降和懸停的機(jī)器。四旋翼直升機(jī)改變對(duì)角旋翼的轉(zhuǎn)速大小，同時(shí)往相反方向改變另外一對(duì)旋翼的轉(zhuǎn)速的大小，兩對(duì)旋翼間扭矩便不再平衡，從而航向角改變。四旋翼直升機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)角線上旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)改變姿態(tài)：，3旋翼的推力不同會(huì)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(gè)加速度。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?chē)ㄖ锏母怕剩w行更加安全。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(huì)自動(dòng)平衡。四旋翼直升機(jī)是一種外形獨(dú)特的旋翼機(jī)，國(guó)外對(duì)四旋翼飛機(jī)有多種叫法，如fourrotor、Quardrotor、X4Flyer、4 rotors helicopter等等[1]。s thrust forces to achieve the flight plan. This paper has built system39。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.關(guān)鍵詞：四旋翼無(wú)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。本文建立了四旋翼無(wú)人機(jī)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了PID控制器進(jìn)行姿態(tài)控制。為了克服A/D轉(zhuǎn)換存在的偏差和高頻噪聲問(wèn)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(guò)實(shí)際系統(tǒng)檢驗(yàn)。首先，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、軟硬件整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。四旋翼無(wú)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(lái)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(cè)無(wú)人飛行器的重要的研究方向之一。碩士論文 小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型四旋翼無(wú)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。近些年來(lái)，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(wú)人直升機(jī)獲得了越來(lái)越多地關(guān)注。本文針對(duì)小型四旋翼無(wú)人直升機(jī)，以TMS320F28335為核心，設(shè)計(jì)了四旋翼無(wú)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。按功能將控制系統(tǒng)劃分成機(jī)體平臺(tái)、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(gè)獨(dú)立的模塊。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(shuō)明了補(bǔ)償方法的有效性。姿態(tài)控制是飛行控制的核心問(wèn)題，四旋翼無(wú)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(wú)人直升機(jī)通過(guò)四個(gè)螺旋槳實(shí)現(xiàn)對(duì)六個(gè)被控量的控制，是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。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。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。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 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, DSP67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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn) 2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 國(guó)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(wú)線通信模塊選型 15 推進(jìn)組及電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(hào)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(wú)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(wú)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(jiǎn)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(wú)人機(jī)建模與仿真 39 引言 39 系統(tǒng)建模 39 直線運(yùn)動(dòng)的模型[17] [22[[50] [51] 39 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模型 41 直流電機(jī)的模型[17] 42 四旋翼無(wú)人機(jī)模型參數(shù)辨識(shí) 42 模型參數(shù)辨識(shí) 43 辨識(shí)結(jié)果與分析 44 四旋翼無(wú)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(dòng)狀態(tài) 47 四旋翼無(wú)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(tái)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(wú)線通信模塊 53 數(shù)字羅盤(pán)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(wú)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(pán)和無(wú)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。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)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(shì)。而傳統(tǒng)直升機(jī)必須加一個(gè)尾翼用來(lái)平衡旋翼扭矩，這個(gè)尾翼對(duì)向上的推力無(wú)幫助作用，浪費(fèi)了能量。 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(gè)控制輸入量，分別為四個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速；6個(gè)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)。由于對(duì)稱(chēng)性，在機(jī)體Y方向也會(huì)產(chǎn)生相似的作用。 四旋翼直升機(jī)發(fā)展歷史過(guò)去的一百多年里，人類(lèi)投入了大量的資金和努力來(lái)研究和設(shè)計(jì)旋翼機(jī)。四旋翼直升機(jī)有一段漫長(zhǎng)而又?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)的歷史[3][4]。1922年美國(guó)軍方資助George de Bothezat研制了一個(gè)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。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。目前商業(yè)化最成功的四旋翼無(wú)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(kāi)發(fā)的。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]。目前國(guó)外四旋翼無(wú)人直升機(jī)的研究工作主要集中在以下三個(gè)方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行、基于視覺(jué)系統(tǒng)的自主飛行和自主飛行器系統(tǒng)。 （a）OS4I （b）OS4II OS4I和OS4II 澳大利亞國(guó)立大學(xué)的X4 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)于四旋翼機(jī)的研究主要集中在幾所高校之中。大多數(shù)的研究方式是理論分析和計(jì)算機(jī)仿真，提出了很多控制算法。 四旋翼直升機(jī)研究熱點(diǎn)四旋翼直升機(jī)目前的研究熱點(diǎn)可以分為以下幾點(diǎn)：系統(tǒng)的分析與建模、系統(tǒng)姿態(tài)控制和編隊(duì)飛行等等。澳大利亞、法國(guó)和美國(guó)的學(xué)者共同對(duì)X4flyer進(jìn)行了動(dòng)態(tài)建模和鎮(zhèn)定配置的研究[6]。法國(guó)和阿爾及利亞的學(xué)者在文獻(xiàn)[22]給出了四旋翼直升機(jī)動(dòng)態(tài)建模和用實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)的方法。空間飛行器、衛(wèi)星、直升機(jī)、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、協(xié)同機(jī)器手、水下機(jī)器