小型四旋翼飞行器实验平台设计.pdf

分类号学号 M201071887
学校代码 10487 密级





硕士学位论文







小型四旋翼飞行器实验平台设计






学位申请人:宋佳佳
学科专业: 控制工程
指导教师: 孙志刚副教授
答辩日期:
A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master of Management




Design of a miniature four-rotor aircraft test-bench







Candidate : Song Jiajia
Major : Control Engineering
Supervisor : Associate-Prof. Sun Zhigang







Huazhong University of Science and Technology
Wuhan, 430074, P. R. China
May 29th, 2012
独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研
究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或
集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在
文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名:
日期: 年月日



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本论文属于
不保密□
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学位论文作者签名: 指导教师签名:
日期: 年月日日期: 年月日
华中科技大学硕士学位论文
摘要
四旋翼无人机体积小,结构简单可靠,飞行灵活,适合复杂环境下的作业,能在
近地面环境执行巡查、监测等任务,可用于军事和民用。同时由于其独特的系统结
构和动力学特性,对数据获取、处理及控制算法都有很高的要求。已成为科研机构
竞相研究的热点。本文旨在建立一个四旋翼飞行实验平台,使其能达到工程应用的
目的。
论文首先阐述了四旋翼飞行器的基本飞行原理,给出了整体设计框架。然后根据
系统结构特点,以 DSP 处理器为核心设计了四旋翼的姿态检测、飞行控制模块,无
刷直流电机的驱动模块,选取了无线通讯模块,并对各模块进行整合,完成了系统
硬件设计。然后采用四元数方法对测量的相关数据进行了姿态解算,并对不同传感
器数据进行了数据融合,得到了良好的飞行姿态。同时将数据通过无线方式传输到
上位机进行分析,验证了四旋翼飞行器整体设计的可行性。
本文在所设计硬件基础上对系统进行建模,给出了一个简化的四旋翼数学模型,
以 PID 控制算法设计了四旋翼飞行器的控制器,通过仿真得到稳定的控制结果。并
在论文最后阐述了该平台的上位机软件实现。本文初步实现了四旋翼飞行器实验平
台的建立,为系统的后续研究打下了基础。


关键词: 四旋翼,飞行实验平台,姿态解算,系统建模,PID 控制
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
For the reason of small size, simple structure, flexible flight, The four-rotor suitable
for operating plex environments, and can execute surveillance task on the closer
ground, suitable for military and civilian use. Because of it unique structure and dynamic
characteristics, it has a high request of data achievement and processing and control