摘要
近年来，随着新型材料、MEMS技术和飞行控制等技术的发展，微小型多旋翼无人机得到了迅速发展。多旋翼无人机具有结构简单、控制灵活和垂直起降等特点，同时凭借其良好的机动性、优越的悬停和低速飞行性能受到广泛关注，无论是在军用领域还是民用领域都有着较为广泛的应用。本文以四旋翼无人机为研究对象，进行了四旋翼无人机的建模和控制方法研究，针对室内环境下GPS信息无法获取，传统的机载传感器精度低且易受外界干扰的问题，为了提高四旋翼无人机控制算法的精确度，本文引入运动捕捉系统，设计了四旋翼无人机的导航控制系统并且搭建了四旋翼无人机测试平台。 首先，设计了多旋翼无人机的导航系统。分析了运动捕捉系统的运行机理，设计了运动捕捉系统下多旋翼无人机姿态信息的获取算法，研究了运动捕捉系统和惯性导航系统的组合导航算法。实验结果验证了求解姿态算法的可行性和组合导航算法的正确性。基于VS2008开发工具设计了多旋翼无人机地面站软件系统，通过串口实时地将信息发送给多旋翼无人机，完成了多旋翼无人机测试平台的搭建。 其次，本文选用四旋翼无人机作为研究对象，针对四旋翼无人机的自身结构，分析了基本的运动方式和飞行原理，依据Newton-Euler法进行受力和力矩分析，最终建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型，然后根据合理的假设，将模型进行了简化。 再次，将简化的非线性动力学模型进行线性化，针对线性化的模型使用LQR控制，针对简化后的非线性模型使用积分反步法，使用两种算法分别设计了四旋翼无人机的姿态回路和轨迹回路控制器。通过Matlab/Simulink软件实现了定点悬停、轨迹追踪和航路点飞行实验，仿真结果验证了所设计算法的有效性。 最后，将四旋翼无人机硬件和飞行控制系统软件相结合，在多旋翼无人机测试平台下，进行了定点悬停和航路点飞行实验。实验结果表明，设计的控制器可以很好地将四旋翼无人机控制在目标状态，并具有很好地稳定性和跟踪性。
NETL