毕业论文(设计)
题 目 微小型四旋翼无人机的位置控制
学生姓名
学 号
院 系 信息与控制
专 业 自动化
指导教师
二Ｏ一二 年 五 月 二十 日
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目 录
1 绪论 ....................................................................................1
1.1 引言 ............................................................................................................................................................1 1.2 无人机的分类 ............................................................................................................................................1 1.3 国内外四旋翼无人机研究现状与发展趋势.............................................................................................2
1.3.1 国外研究现状 ................................................................................................................................3 1.3.2 国内研究现状 ................................................................................................................................3 1.4 无人机的主要控制方法 ............................................................................................................................5 1.5 本文研究的主要内容 ................................................................................................................................6 2 控制对象介绍 ............................................................................7
2.1 设计目标 ....................................................................................................................................................7 2.2控制系统结构设计 .....................................................................................................................................8
2.2.1硬件总体设计 .................................................................................................................................8 2.2.2软件总体设计 .................................................................................................................................9 2.3 控制系统功能设计 ..................................................................................................................................10
2.3.1 导航系统 ......................................................................................................................................10 2.3.2 通信系统 ...................................................................................................................................... 11 2.3.3 电源系统 ...................................................................................................................................... 11 2.3.4 控制器选型 .................................................................................................................................. 11 2.4 四旋翼无人机的飞行原理 ......................................................................................................................12 3 数学建模 ...............................................................................13
3.1 无人机高度Z的建模 ..............................................................................................................................13
3.1.1 动力学建模 ..................................................................................................................................13 3.1.2 纯滞后环节的线性化 ..................................................................................................................14 3.2 无人机坐标X的建模 ..............................................................................................................................18 3.2.1 动力学建模 ..........................................................................................................................................18
3.2.2 纯滞后环节的线性化 ..................................................................................................................19
4 PID控制理论 ..........................................................................20
4.1 PID控制发展概况 ..................................................................................................................................20 4.2 PID控制的应用范围和优点 .................................................................................................................21 4.3 PID控制的现实意义 .............................................................................................................................22 4.4 PID参数整定方法概述 .........................................................................................................................23 4.5 PID控制的基本原理 .............................................................................................................................24 5 四旋翼无人机的位置控制器设计 ...........................................................25
5.1 无人机高度Z的PID控制器设计 .........................................................................................................26
5.1.1 经典PID控制算法 .....................................................................................................................26 5.1.2 PID控制器设计 .........................................................................................................................26 5.1.3 控制结构概要分析 ......................................................................................................................27 5.2 无人机坐标X的PID控制器设计 ........................................................................................................28
5.2.1 控制结构概要分析 ......................................................................................................................28
6 总结和展望 .............................................................................30
6.1 总结与分析 ..............................................................................................................................................30
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6.2 前景与展望 ..............................................................................................................................................31 参考文献 .................................................................................31 致谢 .....................................................................................33 Abstract .................................................................................34
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微小型四旋翼无人机的位置控制
微小型四旋翼无人机的位置控制
张星 20081336062
南京信息工程大学信息与控制学院自动化系，南京 210044
摘要：本文采用了PID控制方法来实现微小型四旋翼无人机的位置控制。首先研究四旋翼无人机的飞行原理，通过对该飞行器的动力学和运动学建模，推导得出各个坐标方向上的传递函数。接着，考虑到所使用的传感器在收集数据时会产生延迟，通过对Pade一次延迟型逼近法研究，对该延迟环节进行线性化，并通过Matlab仿真对其进行优化，得出最终的传递函数。 然后，利用PID控制理论设计微小型四旋翼无人机的位置控制器，并利用Matlab工具下的Simulink分别搭建三个位置坐标（x,y,z)的PID控制结构图，并对其进行Simulink仿真，得出各位置坐标的阶跃响应曲线，最后再对得到的仿真结果进行性能评价。
关键词： 微小型四旋翼无人机；位置控制；Pade一次延迟法；PID控制；Simulink仿真
1 绪论
1.1 引言
早期的无人驾驶飞行器的研制和应用主要用作靶机，应用领域主要是军事领域，之后才开始逐渐应用于民用遥感、侦察和作战飞行平台。自从20世纪80年代以来，伴随着通讯技术和计算机技术的迅猛发展及各种体积小、探测精度高、数字化、重量轻的新型号传感器的不断出现，无人机的飞行性能逐渐提高，其应用领域被迅速拓展[1]。全球范围内的所有用途和所有性能指标的微小型无人机种类已达到上百种。它的续航时间从最初的一个小时延长到了现在的几十个小时，而其负载重量从几公斤至几百公斤，这就为长时间、大范围内的遥感监测提供了稳定保障，同时也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件[2]。
随着无人机技术的日趋成熟、国内自然灾害的频繁发生、航空摄影应用领域的进一步拓展、无人机应用优势的广泛体现，我国无人机遥感应用迅猛发展。应用领域涉及到各行各业，包括：摄影测量、应急救灾、环境保护、公共安全、矿产资源勘探、海洋环境监测、土地利用调查、水资源开发、农业估产与作业、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、林火病虫害防护与监测等。
总之，微小型四旋翼无人直升机飞行控制技术的研究，从理论和工程的角度都具有重要意义。微小型四旋翼飞行器还是一项涉及多门交叉学科的高、精、尖技术,对国防建设是迫切需要和值得发展的研究项目。
1.2 无人机的分类
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微小型四旋翼无人机的位置控制
经过几十年的发展，无人机已经发展成一种种类繁多，各具特色的飞行器。无人机主要可以分为固定翼无人机和旋转翼无人机两类。固定翼无人机如图1-1，旋转翼无人机如图1-2。
图1-1 固定翼无人机
图1-2 旋转翼无人机
固定翼无人机因自身安定性高，对自控技术要求简单所以有耗能低，巡航时间长，飞行距离远的优点；但是起飞与降落需要场地，无空中定点悬浮机能，飞行中需保持一定的飞行速度，不利于空中摄影。而旋转翼无人机可垂直起落，对场地无要求；可空中悬浮，能拍摄高清晰相片美中不足的是其耗能高，飞行时间与距离短，且自身安定性低，难于实现自动控制[3]。
1.3 国内外四旋翼无人机研究现状与发展趋势
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