研 究 生 姓 名：朱君 指导教师姓名：江杰 内蒙古科技大学信息学院 包头 0140un Supervisor： Jiang Jie School of Information Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA
签名：___________ 导师签名：___________ 日期：____________
内蒙古科技大学硕士学位论文
摘
要
四旋翼无人飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形 交叉结构，通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定盘旋和精确飞行，其具有欠驱 动、多变量、强耦合、非线性等复杂特性。四旋翼无人飞行器研究内容涵盖了制 造技术、结构设计、材料工程、空气动力学、自主飞行控制与导航、图像处理和 先进通信技术、高效能源、微机电技术、传感器技术等多种高、精、尖技术，因 此对四旋翼无人飞行器的研究无论是从国防战略角度，还是从民用角度来看，都 有着十分深远的意义。 本文以四旋翼无人飞行器为研究对象，首先，介绍四旋翼无人飞行器涉及的 关键技术，设计了四旋翼无人飞行器整体结构，包括四旋翼无人飞行器的机械结 构、控制系统硬件和软件设计，搭建四旋翼无人飞行器研究平台。其次，对四旋 翼无人飞行器进行力学分析，并根据系统实际结构建立其动力学方程，得到系统 传递函数，通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。第三，针对四旋翼 无人飞行器数据采集处理，通过无线串口的方式将数据发送到上位机，并在 LabVIEW 中搭建数据采集平台，运用卡尔曼滤波对加速度和陀螺仪传感器进行数 据融合，获得飞行器姿态原始数据和较好的姿态融合数据。第四，依据四旋翼无 人飞行器的系统仿真模型，通过 Matlab 中的 Simulink 模块，分别对姿态回路 PI 控制算法、 姿态和位置回路的 PID 控制算法和积分分离 PID 控制算法进行了仿真， 验证了控制算法的有效性。 最后，在实验室环境下，通过系留实验，验证了四旋翼无人飞行器控制系统 设计方案和姿态、位置控制算法的可行性，并提出改进意见和方法。
关键词：四旋翼无人飞行器；动力学模型；卡尔曼滤波；LabVIEW；控制算法
I
内蒙古科技大学硕士学位论文
Abstract
Quadrotor UAV is a kind of aircraft, that has four propeller and the four propeller with a cruciformcross-structure, that by balancing the four rotor generates force to achieve a stable hover and precision flight. It has underactuated, multivariable, strongly coupled, nonlinear and others complex characteristics, and its research covers variety of interdisciplinary cross-integration of high precision and advanced technology professional, such as Manufacturing Technology, Structural Design, Materials Engineering, Aerodynamics, Autonomous Flight Control and Navigation, Image Processing and Advanced Communication Technology, Energy Efficiency, MEMS Technology, Sensor Technology and so on. Therefore, the research of the Quadrotor UAV a very far-reaching significance, whether from the point of view of national defense strategy, or from a civilian. This paper according to the Quadrotor UAV as the research object. First of all introduce key technologies involved in Quadrotor UAV, and structure for the overall design, including Mechanical structure, hardware and software architecture design, and Build a Quadrotor UAV platform. Followed mechanical analysis of the Quadrotor UAV, and establish its dynamics equation based on the actual structure, and get the system transfer function, and appropriate to simplify the transfer function for the system simulation model. By the third, According to the data acquisition for Quadrotor UAV, and with the way of wireless serial port to send data to the PC, and the Kalman filter is used on acceleration sensor and gyroscope datas fusion, And in LabVIEW to build a data acquisition system, access to raw data and a better attitude of the spacecraft attitude to integration of data. Fourth based on the Quadrotor UAV system simulation model, with the simulation in Matlab Simulink blocks, respectively PI Control algorithm, PID Control algorithm and Integral separation PID Control algorithm to point against the attitude loop and attitude-position loop respectively, verify the effectiveness of the control algorithm. Lastly, complete the Quadrotor UAV mooring experiment in a lab environment, verify the feasibility of the designing of Quadrotor UAV control system and attitude-position control algorithm, and submit its views and methods to improve. Key Words：Quadrotor UAV; Dynamic model; Kalman filter; LabVIEW; Control Algorithm
TP273 分类号：____________ ＵＤＣ：____________
密
公开 级：______________
10127 单位代码：______________
硕士学位论文
论文题目：四旋翼无人飞行器控制系统设计
及控制方法研究
学 作
200902258 号：_________________________ 朱君 者：_________________________
签名：___________ 日期：____________
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单位：内蒙古科技大学 单位： 单位：
论文提交日期：2012 年 06 月 06 日 学位授予单位：内 蒙 古 科 技 大 学
四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
Design of Control System and Research on Control Method for Quadrotor UAV
控制理论与控制工程 专 业 名 称：_________________________
2012 年 06 月 06 日
内蒙古科技大学硕士学位论文
论文题目： 四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究
朱君 作者：_________________________
指 导 教 师： 协助指导教师：
江杰
教授级高工
II
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目
摘
录
要 ............................................................................................................................... I
Abstract ..........................................................