文档介绍：图书分类号 TP249 密级非密
UDC 注 1
硕士学位论文

四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真

乔维维

指导教师(姓名、职称) 杨风(教授)
申请学位级别工学硕士
专业名称检测技术与自动化装置
论文提交日期 2012 年 04 月 24 日
论文答辩日期 2012 年 06 月 02 日
学位授予日期________年______月______日
论文评阅人赵志诚教授韩慧莲教授
答辩委员会主席殷俊龄

2012 年 06 月 02 日
注 1:注明《国际十进分类法 UDC》的分类
原创性声明

本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独
立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含
其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡
献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人
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导师签名: 日期:
中北大学学位论文
四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真

摘要

四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器。近些年来,
随着飞行控制理论、机电一体化技术、传感器技术等的飞速发展,四旋翼飞行器的应用
前景越来越广阔,并受到了越来越广泛地关注。
本文针对一种四旋翼飞行器,根据其动力学特性建立了数学模型,并以CycloneⅡ
EP2C8Q208C型号的FPGA芯片为控制核心,设计了四旋翼飞行控制器的硬件系统,最后
通过实验仿真进行了性能测试和结果分析。本文完成了如下的主要工作:
将四旋翼飞行控制系统分成旋翼控制子系统、传感器子系统和通信子系统,通过分
析其飞行原理,对各个子系统的结构、整体硬件电路进行了设计。
应用捷联式惯性导航原理设计了飞行器的导航系统,整合传感器采集到的数据使其
准确的反映出飞行器当前的飞行姿态,用于下一步的姿态控制。为解决导航系统姿态角
缓慢发散的缺陷,本文给出了姿态角的校正方法,通过实验验证了校正方法的有效性。
对所设计的四旋翼飞行器建立了系统的数学模型,从动力学和运动学两方面分析其
系统特性,得到了飞行器的运动方程。
飞行器的姿态控制是整个飞行控制系统的最主要部分,四旋翼飞行器实际上是通过
四个电机转动输入来实现三轴姿态和位置等六个被控量的输出,是一个典型的欠驱动系
统。本文使用经典PID控制算法对四旋翼飞行器姿态角和位置做了闭环控制,运用
MATLAB/simulink搭建了飞行器的仿真系统。通过仿真实验,结果表明该控制算法对姿
态的控制效果良好,验证了所设计的控制系统的有效性。

关键词:四旋翼飞行器,FPGA,捷联式惯导,飞行控制系统,动力学模型
中北大学学位论文
Research and Simulation on Four Rotor Helicopter
Flight control system
Qiao Weiwei,Yang feng
Abstract

Four rotor helicopter(Quadrotor) is an electric, capable of vertical take-off and landing,
multi-rotor unmanned aerial vehicle. In recent years, with rapid development of the flight
control theory, electromechanical integration technology and sensor technology, four rotor
helicopter has increasingly broader applicational prospects, and has received more and more
attention.
According to its dynamic characteristics, the mathematical model