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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

无人机（unmanned aerial vehicle，缩写 uav），是无人飞行载具（unmanned aerial vehicles，uavs）或称无人飞机系统（unmanned aircraft system）的一种简称，是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶动力机械装置，或者通过车载计算机完全地或间歇地自主地操作。其中的系统是指若干个模块通过相互作用和相互依赖，结合成的具有某种特定功能的有机整体，而这个“系统”本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。例如本文所陈述的无人机飞行控制系统，在控制方面，它包括微控制器模块、数据通信模块、输入输出模块、电源模块等，由这些模块组成了无人机飞行控制整个系统。它在20世纪20年代最早出现，因当时技术条件的限制，发展缓慢，所以在当时，主要将其作为训练的靶机来使用，在二战中将无人靶机用于训练防空炮手。二战之后将多余或者是退役的飞机改装成为特殊的器型用于研究或者是用作靶机，无人机的研究已经引起了海外一些研究机构的广泛关注，从此开启近代无人机使用趋势的先河。随着机械、电子和通信技术的发展，无人机在研究与发展中也取得了实质性的突破。逐渐无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。直到上个世纪90年代，无人机飞速发展和并被广泛运用。

而多旋翼无人机，是一种具有三个及三个以上旋翼轴的特殊的无人驾驶旋翼飞行器，现今，无人机主要被分为两大类：固定翼式和多旋翼式，固定翼式无人机飞行器的理论及技术均已经趋向于成熟与稳定，而多旋翼式无人机飞行器因其本身所具备灵活性强、结构简单、性能良好等的优点，被广泛运用到军事侦查、农业应用、业务派送、电力巡检等诸多领域，越来越多的领域开始使用无人机去替代人工进行作业。一般结构的多旋翼无人机，随着其旋翼数量的增加，旋翼所能够带载的能力越强。一般结构的多旋翼无人机包括四旋翼、六旋翼、八旋翼等多旋翼无人机。它具备垂直起降、定点悬停、倒飞等自主飞行特征。如今，它的飞行控制研究是国内外无人机研究领域的热点。无人机系统种类繁多、用途广、特点鲜明，致使其在尺寸、质量、航程、航时、飞行高度、飞行速度，任务等多方面都有较大的差异。正由于无人机所具备的多样性，出于不同的考量方式会有不同的分类方法，可将其分为：按飞行平台构型分类，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机；按用途分类，无人机可分为军用无人机和民用无人机；按尺度分类（民航法规），无人机可分为微型无人机、轻型无人机、小型无人机以及大型无人机；按任务高度分类，无人机可以分为超低空无人机、低空无人机、中空无人机等类型。

国内外研究现状

早在20世纪中后期，多旋翼无人飞行器已经受到了海外许多科学研究机构的瞩目。多旋翼无人飞行器虽然在机械构造和飞行原理上比较简单，但是在传感器类与控制理论上，它的要求就非常高了，因此直到21世纪的初期，伴随着mems传感器技术的高速发展与嵌入式控制系统的进步，多旋翼无人飞行器的研究终于得到了突破，尤其是欧美的一些发达国家，在小型无人机及超小型无人机的研究领域中，多旋翼无人机已逐渐取代直升机式无人机，成为旋翼无人机研究的主流。

在欧美的一些国家，具有代表性的无人机科技研究团队属美国的麻省理工学院(mit)，如今已经完成了在室内环境下四旋翼无人飞行器的飞行演示, 演示主要包括多架四旋翼对既定目标进行连续搜索、 跟踪、 多机协同及编队飞行等。美国宾夕法尼亚大学grasp实验室主要研究用于mavs新的控制算法.他们研究的兴趣主要集中在多mavs的协调行动与它们之间相互作用的方法，他们购买了德国的上行技术（ascending technology）有限责任公司的“蜂鸟”四旋翼无人飞行器，将其作为研究平台，到目前为止能够实现多个四旋翼mavs在三维空间合作抓、稳定及运输有效载荷，以相异的速度跟踪产生的轨迹，且实现单个mavs穿过圆环等。除此之外，还有法国的heudiasyc和美国的pennsylvania等等，本文不再赘述。

2. 研究的基本内容

本文主要内容是设计一套相对性能稳定、安全可靠的无人机飞行控制系统，它需要具备多种飞行模式功能，主要包括姿态控制模式、位置控制模式、自主飞行控制模式等，此系统需要满足于多种旋翼无人机机型的飞行控制。因此，基于这些特点及要求，本文需要设计双arm架构的飞行控制的硬件系统，系统内包括姿态测量、气压高度计、加速度计等传感器系统、高性能微控制器、输入输出方式、电源电路等，并且根据所选微控制器的类型、所选传感器的通信方式、输入输出方式选择等设计出硬件系统总体架构，并且对飞行控制系统每个模块进行深入分析，然后基于多旋翼无人机的硬件系统，对系统运行是否可靠进行实验验证及分析。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

根据多旋翼无人机飞行控制系统的需求，设计出合理的硬件总体方案，并以此设计出

各个模块的电路，包括控制器模块，通信接口模块、电源模块和输入输出模块等。

开发一套性能稳定、安全可靠的飞行控制系统，具有多种飞行模式功能（包括姿态增稳控制模式、定点悬停控制模式、自主飞行控制模式等功能），可支持多种多旋翼无人机机型。本文从理论与实践相结合的理念开展研究工作，首先设计一套基于双 arm 架构的飞行控制系统硬件平台，根据控制器的具体类型、所需传感器的通信方式，完成底层驱动程序开发；其次，根据多旋翼无人机的气动特性，设计了姿态环和位置环的控制律并进行了软件实现；最后，将所设计的飞行控制系统应用于多旋翼无人机，成功实现了多旋翼无人机的多模式飞行功能。

4. 参考文献

[1]. 樊珑.多旋翼无人机视觉引导降落研究[d].哈尔滨工业大学.2016

[2]. 师永征.“牧羊”旋翼无人机控制策略研究及实现[d].中国民航大学.2016

[3]. 贺海鹏.四旋翼无人机非线性控制研究[d].东南大学.2015