四旋翼无人机的导航与控制

四旋翼无人机是一种新型的可垂直起降的小型无人机,它通过改变四个对称分布的旋翼转速来调整姿态与位置,具有可悬停、机动性好、结构简单等多种优点,具有十分广阔的应用前景。 论文首先对飞行机理进行了分析,设计了以碳纤维为主体材料的机械结构。并以机械结构为基础,建立了六自由度的无人机数学模型,根据实际的控制要求对模型进行了简化。分别设计了PID姿态控制器和Backstepping姿态控制器对无人机的姿态控制进行了仿真,得到了在阶跃控制信号输入、脉冲干扰力矩输入以及阵风干扰力矩输入下的姿态角响应曲线,验证了两种算法的有效性。仿真结果表明Backstepping方法对四旋翼无人机这种非线性强耦合的系统具有相对较好的效果。 其次,根据四旋翼无人机对航姿信息的要求设计了以MEMS陀螺仪,加速度计与磁阻传感器为基础的航姿系统,设计了一种基于扩展Kalman滤波的航姿估计算法。采用四元数作为状态变量,利用陀螺仪的输出构成状态方程,通过加速度计与磁阻传感器构造观测方程来进行扩展Kalman滤波解算。相对于通常的航姿估计算法,这种算法减少了运算量,更适合于基于嵌入式微处理器的航姿估计。实验结果表明这种算法在静态情况下可以较好的得到无人机的姿态输出,动态性能还需要进一步测试。 最后,根据系统性能和功能的要求对无人机的机载主控制系统与地面站系统进行了设计。并进行了悬停、姿态信号跟踪、抗干扰测试等一系列飞行试验,对试验结果进行了分析,验证了算法的有效性。