摘 要

多旋翼无人机（Unmanned Aerial Vehicle，简称UVA）是集强续航能力、高机动性以及优良的稳定性为一体的微小型可垂直起降的无人飞行器。多旋翼无人机具有十分广阔的发展前景。在科学技术不断发展的现状，随着软硬件技术和控制方式的不断发展与壮大，多旋翼无人机的功能也越来越多样化，并且在民间、商用和军用领域应用广泛，倍受青睐。

本文首先调研了其国内外发展状况以及目前的研究成果，并对其基本飞行原理与飞行控制方法做了一定程度的研究，然后研究其释放与回收技术并为验证飞行控制方法的有效性进行了仿真实验。接下来对论文研究整体内容进行介绍：

1.本文首先研究了无人机的飞行原理方面的内容，对无人机飞行方式进行了详细说明。然后对无人机姿态表示的数学方法进行了研究，详细阐述了欧拉角、旋转矩阵以及四元数的姿态角表示方法。然后对无人机进行动力学建模，最后对无人机飞行控制方法进行详细介绍。

2.根据第一部分研究的具体内容与建立的模型，通过Simulink建立飞行控制模型，实现无人机闭环控制仿真。

3.为了实现无人机的自主性，研究了基于视觉辅助的无人机自主回收系统核心技术以及其原理。通过机器视觉中的图像处理技术识别目标并调整无人机姿态；通过提取目标的位置并将位置信息输入自驾仪中，调整无人机姿态完成无人机自主回收；设计了一种自主着陆流程进行了分析。

4.根据第三部分所讲的图像预处理与特征值提取方法，利用MATLAB进行仿真分析，实现了噪声滤波、边缘检测、圆形拟合与坐标值提取。

关键词：多旋翼无人机；飞行控制；机器视觉；

Abstract

Unmanned Aerial Vehicle (UVA) is a micro and small vertical-take-off and landing Unmanned aircraft that integrates strong endurance, high mobility and excellent stability. Multi-rotor UVA has a very broad development prospect. In the current situation of the continuous development of science and technology, with the continuous development and expansion of software and hardware technologies and control methods, the multi-rotor UVA has become more and more diversified in its functions, and has been widely used in the civil, commercial and military fields.

In this article, based on the multi-rotor UVA, the domestic and foreign development status of the multi-rotor UVA and the current research results, the release and recovery technology of the UVA was investigated, and the flight control method of the UVA was simulated. The following is an overall introduction to the research content:

1. In this p article, the flight principle of the multi-rotor UVA is firstly studied. After studying the flight principle of the multi-rotor UVA v, the coordinate system transformation mode required by the UVA flight control is explained, and the attitude Angle representation method of euler Angle, rotation matrix and quaternion is elaborated. Then, the dynamics modeling of UVA is carried out, and the flight control method of UVA is introduced in detail.

2.According to the previous UVA flight control method, the UVA flight control model was established through Simulink to realize the UVA flight control simulation.

3. In order to realize the autonomy of UVA, the core technology and its principle of UVA autonomous recovery system based on visual assistance are studied. The image processing technology in machine vision is used to recognize the object and adjust the attitude of the UVA. By extracting the position of the target, the UVA attitude is adjusted and the autonomous recovery of the UVA is completed.

4. According to the image preprocessing and feature value extraction methods mentioned in the third part, MATLAB is used for simulation analysis to realize noise filtering, edge detection, ellipse fitting and coordinate value extraction.

Key Words：Multi-rotor UVA；flight control；machine vision

目录

第一章 绪论 8

1.1研究背景 8

1.2研究现状 8

1.2.1国外研究现状 9

1.2.2国内研究现状 9

1.3旋翼无人机常用控制方法 10

1.4论文主要研究内容与结构 11

第二章 四旋翼无人机飞行原理与飞行控制 13

2.1引言 13

2.2旋翼无人机飞行原理 13

2.3多旋翼无人机飞行姿态的数学表示方法 14

2.3.1坐标系统与欧拉角 14

2.3.2旋转矩阵的表示方法 15

2.3.3四元数的表示方法 16

2.3.4无人机姿态表示方法比较 16

2.4四旋翼无人机动力学建模 17

2.4.1刚体假设和模型结构 17

2.4.2刚体运动学模型和动力学模型 18

2.4.3飞行控制通道和线性简化模型 19

2.5多旋翼无人机飞控 20

2.5.1位置控制 21

2.5.2姿态控制 21

2.6总结 22

第三章 四旋翼无人机飞行控制律设计仿真实验 23

3.1引言 23

3.2控制律设计 23

3.2.1位置控制律设计 24

3.2.2虚拟姿态角求解方法 25

3.2.3姿态控制律设计 26

3.2.4闭环系统设计 28

3.3仿真实验 29

3.3.1仿真模型搭建与参数初始化 29

3.3.2无人机仿真实验 32

3.4总结 33

第四章 基于视觉辅助无人机自主着陆方案研究 34

4.1引言 34

4.2图像预处理 34

4.2.1灰度化与直方图均匀化 34

4.2.2图像滤波 35

4.2.3图像边缘检测技术 37

4.3图像中的空间关系 39

4.3.1图像坐标系 39

4.3.2摄像机坐标系 40

4.3.3世界坐标系 40

4.4椭圆拟合算法 41

4.4.1Hough变换 41

4.4.2最小二乘法 42

4.5降落过程分析 43

4.5图像处理技术仿真 45

4.5.1仿真方法分析 45

4.5.2仿真分析 48

4.6总结 48

第五章 总结与展望 49

参考文献 50

致谢 52

附录A：参数初始化程序int 54

附录B：位置子系统被控对象程序Pplant 54