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摘 要

为了解决四旋翼飞行器的飞行控制问题，对四旋翼飞行器进行了动力学建模，并在动力学建模的基础上设计了PID 控制器.相对其他无人飞行器平台，四旋翼飞行器有其独特的优势，因而受到广泛的关注。在阐述四旋翼飞行器的飞行原理和操控机制的基础上，研究了其动力学模型，并提出了一种简化的数学模型。四旋翼飞行器是欠驱动耦合系统，为了实现系统解耦并得到清晰的控制回路，设计了多回路PID 控制方案，其控制目标是位置和偏航角，而姿态角和横滚角由位置误差调节。最后， 通过Matlab/Simulink 仿真对所设计的PID 控制器的有效性进行了验证，仿真结果表明在所设定的PID 参数下，控制器可以有效地完成四旋翼飞行器的自稳定控制.

关键词：四旋翼飞行器；PID 控制；动力学分析；自稳定控制；仿真

Modeling and PID control for a quadrotor

Abstract

In order to solve the flying control problem associated with a quadrotor, a dynamic model on quadrotor was developed in this study. Based on the model developed, a PID controller was designed. Quadrotor vehicles have attracted more and more interests for their distinct advantages over other unmanned air vehicles(UAVs). In this paper, the flight theory and manipulative mechanism of the quadrotor vehicle were described. The dynamic model was studied, and a simplified mathematical model was obtained. The quadrotor is a coupled under-actuated rotorcraft. In order to decouple the dynamic system and achieve clear control loops, a multi-loop PID control scheme was employed. The control goal is to make the position and yaw angle stabilized at the reference values, while the pitch and roll angles were regulated by the position errors. At last, the effectiveness of the PID controller was tested by Matlab/Simulink simulation. The simulation result demonstrates that the PID controller is able to robustly stabilize the quadrotor helicopter with given PID parameters.

Keywords: quadrotor; PID control; dynamic analysis; self-stability control; simulation

目录

摘 要 I

Modeling and PID control for a quadrotor II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2四旋翼飞行器及其应用 1

1.3 四旋翼飞行器飞行控制技术及其发展趋势 2

1.3.1 一体化建模技术 2

1.3.2自主控制技术 2

1.3.3 整体设计技术 3

1.4 本文的主要内容及章节安排 3

第二章 四旋翼飞行器的数学模型 4

2.1 引言 4

2.2四旋翼飞行器的结构 4

2.3 四旋翼飞行器的飞行原理 5

2.4 四旋翼飞行器的动力学模型的建立 5

2.5 本章小结 9

第三章 四旋翼飞行器的飞行控制综述 10

3.1 引言 10

3.2四旋翼飞行器的飞行控制特性 10

3.2.1建模困难 10

3.2.2欠驱动特性 10

3.2.3 强耦合特性 10

3.2.4易受外界干扰 11

3.3 四旋翼飞行器控制技术研究现状 11

3.3.1 数学建模 11

3.3.2 飞行控制方法 11

3.4 本章小结 13

第四章 四旋翼飞行器的PID控制 14

4.1 引言 14

4.2 PID控制原理 14

4.3 被控对象 16

4.4 PID控制研究 16

4.5 本章小结 18

第五章 MATLAB控制仿真 19

5.1 引言 19

5.2 MATLAB简述 19

5.3 Simulink模型与仿真 19

5.4本章小结 22

第六章 总结与展望 23

参考文献 25

致 谢 27

第一章 绪论

1.1 引言

四旋翼飞行器是航空技术发展的又一个重要方向。将在多方面改变人们对于传统飞行器概念的认识。四旋翼的发展将取决于多功能翼身设计技术、MEMS技术等的研究和发展。随着各国对无人飞行器研究的深入和爱好者热情的提高, 四旋翼飞行器将会成为在军用和民用都受到重视的新型主流飞行器，本章主要介绍了课题的研究背景及未来的发展趋势。

1.2四旋翼飞行器及其应用

微型飞行器的英文名称是Micro Aerial Vehicle, 简称MAV。1992年, 美国兰德公司在美国国防高级研究计划局(简称DARPA )主持的一次关于未来军事技术的会议中首次提出了MAV 的概念,称其将增强美军的领先优势, 并改变未来的作战模式。随后, DARPA 提出了MAV的技术指标: 飞行器各项尺寸不超过150mm, 续航时间20~ 60m in,飞行速度30 ~ 60 km /h, 航程可达10 km, 并可实现自主飞行、携带任务载荷远程作业、实时传输图像等作战要求。MAV 具有易携带、易操作、隐蔽性、机动性好等特点, 有着广泛的应用前景。

在军用方面, MAV可以进行低空侦察、战场监视、电子干扰、雷达摧毁、通信中继和生化检测。在地形复杂的偏远地带, MAV 作战系统可以轻易地实现MAV 的发射与导航, 并将侦察到的情况实时传回到地面监视器中, 帮助作战小组或单兵及时了解周边环境和战事发展, 确保作战顺利, 减少伤亡。在巷战中,MAV 可以对未知区域和建筑物内的敌情进行侦查与监视, 协助制定作战计划和部署战斗人员。

在民用方面, MAV 也可以承担通信中继、环境监测、灾害预警、城市反恐等重要任务。按照飞行模式的不同, MAV 主要分为固定翼、旋翼和扑翼三种,。

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