四旋翼飞行器的姿态解算及控制实现

针对四旋翼飞行器的姿态控制问题,首先结合四元数及互补滤波法给出姿态解算及数据更新算法;其次采用PID控制算法对姿态进行稳定控制;最后通过上位机观察数据得出控制效果曲线并在实物实验平台上基础上进行了实际飞行验证算法的可行性.实验结果表明:四元数互补滤波算法能实现稳定高精度的姿态解算;PID控制器可以有效的完成飞行器的自稳控制且能有效的校正外界扰动造成的角偏移量,满足四旋翼飞行器的控制要求.     

微型四轴飞行器的设计与实现

四轴飞行器是通过调节电机转速来控制运动姿态的典型欠驱动系统,为研究飞行器的姿态控制问题,对飞行控制系统进行了初步设计.硬件部分以STM32单片机为主控芯片,采用MPU6050陀螺仪传感器完成飞行控制系统的选型设计,重点讨论了驱动电路、传感器和通信模块的选型设计.软件部分以PID控制为基础,重点介绍了姿态角检测过程中的四元数变换和卡尔曼滤波环节,这两个步骤保障了所得姿态角的准确性.仿真分析和室内测试显示,该硬件设计性能可靠,其姿态角控制达到了预期效果,对四轴飞行器的设计有借鉴意义.     

基于PWM的四旋翼飞行器控制方法

为实现四旋翼飞行器稳定可靠性飞行控制,提出了以ATMEL公司AVR微控制器为核心IC（IntergratedCircuit）的MCU（MicroControlUnit）四旋翼飞行器控制系统。该系统由以无刷直流电机为动力核心的动力驱动系统、以微控制器及陀螺仪为核心的核心控制系统、以2．4GHz的无线遥控接收器为核心的无线遥控控制系统组成。采用脉冲宽度调制（PWM：PulseWidthModulation）信号控制四旋翼控制动力驱动模块。通过对四旋翼工作模式与控制参数的研究,得到相应的控制算法,然后编程实现、模拟相应的飞行姿态。实验结果表明,四旋翼飞行器能稳定悬停、转向和三维控制。     

基于双目视觉的无人机定位与控制系统

设计实现了一个基于双目视觉的无人机定位与控制系统.系统由四旋翼飞行器、两个Wii Remote传感器、Kinect传感器、凌动处理器等构成.飞行器采用STM32F401为主控,辅以六轴速度和加速度传感器以及超声波传感器实现姿态和高度控制.利用两个Wii Remote传感器以双目视觉的原理即可实现飞行器的三维定位与追踪.Kinect传感器实现对手势姿态的识别.在Intel凌动处理器平台上利用2.4G无线数传与飞行器通信,并利用PID控制器以增强飞行器的鲁棒性.该系统实现了在室内没有GPS信号的情况下对飞行器的精确定位,以及基于手势姿态识别的对四旋翼的智能控制.     

基于串级模糊PID的四旋翼姿态控制器设计

为解决四旋翼飞行器姿态控制器存在的响应速度慢和鲁棒性差等问题,通过串级模糊PID控制算法来实现飞行姿态的稳定性。建立起四旋翼飞控系统的数学模型后,设计了外环角度P控制器和内环角速度模糊PID控制器。利用Matlab/Simulink通过阶跃信号输入对比仿真传统PID控制器和串级PID控制器、串级模糊PID控制器3种控制方法。仿真结果表明:串级模糊PID控制器使系统抗干扰性能提高,同时加快系统的响应性和准确性;飞行实验表明:串级模糊PID控制算法的鲁棒性好。可见改进后的算法对于四旋翼控制系统是有效的。     

FPGA语音识别的四旋翼飞行器控制系统设计

以FPGA语音识别命令作为四旋翼的航拍遥控命令,将FPGA快速处理信息的能力与语音控制的简单、准确、灵活特点相结合。控制系统分为2部分,四旋翼飞行器利用单片机,采用模糊神经网络PID控制四旋翼螺旋桨的转速达到对机身的飞行高度和方向的控制;语音遥控命令利用FPGA,采用优化的隐马尔可夫模型完成对机身的飞行姿态的命令控制。经仿真验证语音控制四旋翼控制系统具有很强的实时性,能很好地控制四旋翼飞行器完成航拍任务。     

单翼损坏下的四旋翼飞行控制器设计

针对发生单翼损坏故障时四旋翼飞行器的常规控制失效问题,用反步法设计保证飞行器安全和一般飞行控制的控制器.根据单翼损坏下四旋翼飞行器的旋转与平移运动方程,将控制器划分成内、外环,使用反步法设计这两个环路.内环控制飞行器姿态,外环控制飞行器位置.用反步法设计此种控制器时牺牲飞行器的偏航控制能力,但能实现飞行器一定程度的正常飞行.即能实现飞行器以恒定速度绕其垂直轴转动,机体保持水平同时空间位置不变的近悬停状态,也能通过指令信号实现飞行控制和位置跟踪.经过仿真验证,证实了该控制器对单翼损坏故障下的四旋翼飞行器的飞行控制的有效性,飞行器的稳定性能良好.结果表明,偏航控制能力的丧失不会对四旋翼的安全造成威胁,也不会对飞行器的轨迹跟踪造成较大影响,即保证飞行器能在以恒定速度绕垂直轴转动的情况下进行稳定飞行,同时还能以较快速度跟踪简单的期望轨迹.该研究证实了单翼损坏下的四旋翼飞行器的飞行仍具有可控性.     

基于STM-32的自动四旋翼飞行器设计

通过研究四旋翼飞行器的结构特点、姿态解算算法及其飞行控制原理,设计了以STM-32系列微控制器为核心的自动飞行系统,包括硬件电路设计和程序算法设计.试验测试表明,该系统能够在搭建的狭小空间主动避开障碍,实现稳定飞行.     

一种新型四轴搜救飞行器设计

为了解决重大自然灾害的灾后现场搜救问题,本文设计了一种新型的四轴搜救飞行器。该飞行器主要以MSP430单片机为控制核心,包括旋翼电机、姿态检测模块、无线视频传输模块、无线遥控模块等,其中姿态检测由陀螺仪传感器、加速度传感器以及大气压传感器。实验结果验证了该飞行器的有效性,能实现无线遥控以及远程视频传输。     

MSP430单片机在飞行器自动驾驶仪中的应用

为达到稳定飞行姿态和操纵飞行器的目的以美国德州仪器（TI）公司的MSP430F149为核心，研制了一种无人飞行器自动驾驶仪,由单片机对板载各传感器信号进行采集和处理，采用PID控制方式实现系统要求。通过与地面站之间信息的交换实现自动／手动切换功能．飞行测试表明．可满足基本飞行要求．     

基于非线性分离的可倾转四旋翼LQR飞行控制研究

本文研究了一种能够独立控制位置和姿态的可倾转四旋翼飞行器,在建立了系统动力学模型的基础上,针对可倾转四旋翼飞行器系统存在的强输入非线性问题,采用了非线性分离策略,构造中间控制量,将该强非线性系统分离为线性动态环节和非线性静态环节,并仅针对线性动态环节设计了计算量小、易于硬件实现的线性二次型调节器(LQR),然后再通过反解输入非线性环节将中间控制量分配到实际的控制量——旋翼倾转角和电机转速.仿真实验结果表明,基于非线性分离策略设计的LQR飞行控制器能够实现对可倾转四旋翼稳定控制,很好地独立追踪位置和姿态期望.     

四旋翼飞行器的双回路PID控制器的设计与实现

四旋翼飞行器是当今市场的一个新兴且关注度高的研究方向.PID算法当属四旋翼飞行器的核心部分,优秀的PID算法可以实现稳定的悬停和快速的打舵响应.针对传统的单回路PID控制器的不足设计了一种新的双回路PID控制器,结构上分为主回路和副回路,角速度作为主回路,角度作为副回路,副回路的输出量作为主回路的期望值.并在角度姿态的获取上创新的加入了滤波系统,从而使副回路获得的角度曲线更加稳定和平滑,降低了电机的工作温度,提高了控制精度.控制器采用了STM32F103作为控制核心.该款处理器有配套的DSP库,可以实现FIR滤波器,滤波参数确定于MATLAB的FIR设计工具.经过上机实验说明了新的滤波双回路PID系统不仅悬停十分稳定,对于打舵响应十分迅速,而且具备一定的抗外力干扰能力,满足设计需求.     

基于扩展卡尔曼滤波的多旋翼飞行器融合姿态解算算法

针对多旋翼飞行器飞行时机身振动对加速度计产生的噪声干扰,建立径向基(RBF)神经网络结构模型,提出扩展卡尔曼滤波融合姿态解算算法。采用加速度计解算的姿态角作为输入向量,四元数互补滤波解算的姿态角作为参考向量,通过学习不断调整网络最优权值,得到滤波后的由加速度计解算的姿态角,并将四元数互补滤波算法解算出的姿态角与经RBF神经网络非线性滤波得到的加速度计解算的姿态角进行扩展卡尔曼滤波融合姿态解算,以提高飞行器姿态角的解算精度。实验结果表明:基于RBF神经网络的非线性滤波算法可对加速度计解算的姿态角进行有效滤波,提高飞行器姿态角的解算精度;采用的扩展卡尔曼滤波融合姿态解算算法收敛速度快、稳定性强,能够更准确地实时解算飞行器的当前姿态,验证了该算法的可行性。     

基于实时操作系统的小型四轴飞行器设计

针对四轴飞行器控制实时性较差的问题,提出了一种利用移植实时操作系统的STM32单片机进行飞行器控制的解决方案. 以32位ARM（Advanced RISC Machines）微控制器STM32F103CB单片机作为飞行器的控制芯片,采用四元数结合PID（proportion,integral&derivative）控制算法并利用RTX（Real-Time eXtension）实时操作系统对四轴飞行器进行姿态控制,同时使用多传感器并发处理技术实现了四轴飞行器的数据采集. 实验表明,本设计实现了四轴飞行器上,控制信号和电池电量数据的双向、快速传输,获取的姿态信息精度高,四轴飞行器姿态角更新更迅速且易操作,提高了飞行器运行的稳定性,具有实时性.     

对四轴飞行器的控制算法的分析与仿真

四轴无人飞行器通过四个旋翼联合驱动实现垂直起降、滚转俯仰等姿态变换,根据机体坐标系和地面坐标系,推导转换矩阵,对系统进行控制输入并得到飞行器的非线性状态模型;基于PID控制算法原理设计一种双闭环PD控制器,在Matlab中进行姿态响应实验,给出位置和姿态角的响应波形,分析算法性能,最终验证设计的可行性。     

基于P-PID控制器对共轴双旋翼飞行器的姿态控制

针对共轴双旋翼飞行器的姿态控制传统PID算法效果不理想,难以获得满意的控制效果,设计了P-PID控制器实现飞行器姿态控制。利用串级PID对共轴双旋翼飞行器的角度、角速度进行控制。仿真实验和飞行试验表明,算法满足飞行器系统的设计要求,验证了算法的可行性。     

基于PID算法的开源小四轴飞行器控制系统设计

在实际飞行中,飞行器经常受到外部气流的影响,这会使飞机的位置偏离预期目标。为了实现四旋翼飞行器的稳定飞行,首先从牛顿-欧拉方程寻找规律,建立四旋翼飞行器动力学数学模型,然后结合线性变参数的方法将非线性的模型进行线性化处理,设计PID控制器并计算出对应通道上的传递函数。在Matlab/Simulink平台中建立对应的模型并仿真,对仿真结果进行分析,得出的结论验证了PID算法的有效性。     

三旋翼飞行器的建模及其姿态自抗扰控制

根据国内外旋翼飞行器的研究现状以及三旋翼飞行器的机械结构,对三旋翼飞行器进行力矩分析,建立数学模型。采用自抗扰控制方法对三旋翼飞行器的姿态角进行姿态控制,通过Matlab仿真与PID控制方法的对比试验,以及跟踪不同数值大小的阶跃响应信号进行分组仿真。仿真结果表明,自抗扰控制算法具有有效性和快速性,分组试验表明针对不同大小的阶跃信号,可采用不同的参数进行调节。结果表明：该方法既具有良好的滤波性与鲁棒性,又保留了PID控制的大体框架与结构简单等优势,在工程和之后的试验中有一定的指导价值。     

基于模型参考自适应的四旋翼飞行器反步控制

针对四旋翼飞行器易受干扰的问题,本文提出了一种基于模型参考自适应的反步控制方法,在外界气流干扰和内部参数不确定的情况下,保证四旋翼飞行器稳定平滑地跟踪参考信号。将四旋翼飞行器的飞行控制系统分解为水平位置控制子系统与高度和姿态控制子系统,并对两个子系统分别设计反步控制器,然后在高度和姿态控制子系统应用模型参考自适应控制,提高该子系统的抗干扰性能,从而进一步改善水平位置控制性能,同时采用Lyapunov稳定性理论,证明整个闭环系统渐近稳定。仿真结果表明,该算法能够有效抑制外界气流干扰,对负载不确定性具有较强的自适应能力,有效提高系统的稳定性和抗干扰性能。该研究具有一定的理论和实际应用价值。     

四旋翼飞行器携带负载稳定飞行算法

针对不平衡作用下四旋翼飞行器飞行稳定问题,建立了不平衡负载作用下四旋翼的运动学模型和动力学模型,估计了质心位置,设计了串级PID控制器,解决了质心严重偏移出机体之外时,四旋翼不能稳定飞行的问题,利用RBF神经网络自适应来逼近模型的不确定性以及负载晃动所产生的扰动,Lyapunov定理证明了其稳定性。仿真分析与飞行实验验证了本文算法的有效性。