四旋翼飞行器飞行控制研究

四旋翼飞行器是一种结构新颖、机动性强、性能卓越的垂直起降无人机,具有重要的军事、民用及科研价值。由于四旋翼飞行器有效载荷小,精确建模困难,续航时间短等不足之处,使得四旋翼飞行器自上世纪30年代出现以来一直未受关注。进入21世纪后,随着技术的进步,元器件性能的改善,使得多旋翼飞行器成为无人机研究领域的一个热点。四旋翼飞行器系统涉及电机学、空气动力学、自动控制原理及现代控制技术等,从而拓宽了其研究领域,满足多学科的研究者们的仿真和设计需求。针对其独特性能,本文重点研究四旋翼飞行器的数学建模、非线性控制特性以及实际飞行,主要研究内容为： 首先,研究分析四旋翼飞行器的飞行原理及空气动力学特性,并建立基于MWC2.0飞控板设计组建的四旋翼飞行器的数学模型； 其次,针对四旋翼飞行器的欠驱动、强耦合、非线性、多输入多输出(MIMO)等系统特性,本文基于Backstepping(反步法)算法设计四旋翼飞行器的控制器,对第一步建立的数学模型进行仿真分析,并利用Lyapunov稳定判据验证其稳定性。 最后,基于MWC2.0飞控板设计组建四旋翼飞行器,分析传感器的工作原理,并基于arduino软件开发平台,以及开源的飞控程序,优化四旋翼飞行器控制系统。使用Futaba遥控器遥控其飞行,检测并调试系统稳定性,最终实现垂直起降、巡航、悬停等飞行姿态。