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基于四元数算法与串级PID的四旋翼飞行器 　　摘要：四轴飞行器由于其小巧轻便，可实现垂直升降，且操作灵活，近几年被广泛引用于军事、农业和影视等行业，且由于如今微处理器的处理速度的提升、传感器精度的提高和控制算法的不断改进，已经能够取得较为理想的飞行控制。　　本文先是介绍四轴飞行器的发展前景，然后介绍四轴飞行器的基本原理，包括其硬件的力学原理、机身结构和 PCB电路的原理与设计思路，其次是软件上传感器的滤波算法，四轴姿态解算和串级PID控制，同时对各种滤波算法和姿态解算进行比较，应用MATLAB辅助设计IIR低通滤波器和介绍遥控器与四轴的通信协议，最后通过实际的调试结果验证方案的可行性，并对设计过程中遇到的问题进行总结与反思，为后续的改进提供帮助。关键词：四轴飞行器，MATLAB ,IIR低通滤波器，姿态解算，串级PID 第1章绪论 1.1 研究背景及意义 　　四轴飞行器简称四轴或者是四旋翼。由于其结构简单，仅需四个直流电机的配合，就可以实现垂直升降、悬停和直线运动等一系列传统无人机所不具备的特性，故近年来对其硬件结构的改进和控制算法的发展，涌现出了以大疆等公司为首的国内品牌，在民用无人机领域有较为广阔的市场，同时在农业军事等领域也有较为广泛的应用，应用前景十分广泛[1]。 1.1.1 四轴飞行器介绍 　　我们在实际的四轴结构设计中，可将其结构分为三类，“X”型、十字形和“H型”，如图 1.1到图 1.3所示，图中三角形所指方向为机头方向，“H”型与“X”型的电机动力分配基本相同，只是在机架本身有所差别，对于控制难度，十字型的控制难度最低，因为其电机的排列方式正好与姿态解算后得到的欧拉角中的俯仰角和横滚角重合，故在控制四轴进行俯仰运动时，只需要控制其前后两个电机的转速，两侧的电机保持不变，就可以达到想要的控制要求。“X”型的主要优点是操作灵活，但是在控制其俯仰运动时需要对其四个电机均进行控制，这对动力分配有较高的要求，但具有更好的拓展性，故本设计采用的是“X”型无人机。图 .1 “X”型四轴飞行器图 .2 十字型型四轴飞行器 图 .1 “X”型四轴飞行器图 .2 十字型型四轴飞行器 PAGE 4 图 .3 “H”型四轴飞行器 1.2 四轴飞行器国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 　　国外对四旋翼飞行器的研究开始比较早，在1907年，Bregust 兄弟和Jacque设计出了飞行器的雏形，并将其命名为Breguet-Richet No.1，如下图 1.4所示，从图中我们能够看出，该飞行器的四个轴均由两层的巨大旋翼提供动力，满速运行时可搭载一个人成功离开地面，但是由于受到当时收到电子与计算机技术的限制，该飞行器并没有搭载飞控系统，导致其可操作性和稳定性都不甚理想。虽未达到理想的效果，但是这一伟大的尝试却证明了这一概念性飞行器的可行性，为后续对该飞行器的研究提供了现实依据[2]。 图 .4 Bregue兄弟的旋翼直升机 　　而后的1920年，E.Oemichen受Bregue兄弟的启发自主完成了第一个四旋翼飞行器的原型，其结果也不尽如人意，最终以失败告终，但E.Oemichen并没有放弃，而是继续投入大量的时间和精力去研究，终于在4年后的1924年，他的研究有了显著的成果，不仅成功起飞，且打破了当时的旋翼飞机领域的世界纪录。虽然这给该飞行器的发展开了个好头，图 1.5所示，但是在后来长达几十年的发展各种，由于发动机技术没有得到技术上的突破，限制了多旋翼飞行器的发展[3]。 图 .5 E.Oemichen设计的飞机 　　时间来到1956年，M.K.Adman设计出了真正意义上的四旋翼飞行器，该飞行器重达1吨，其动力系统由两个90马力的燃油发动机和旋翼组成，通过对旋翼推力方向的控制来控制飞行方向，虽然其表现出的优点有很多，但是缺点也很明显，那就是其操作十分复杂，且飞行速度、载重量和续航时间均无法与传统的固定翼飞机相提并论，这导致其无论是军用还是商用均无法满足人们的要求，故而人们对其的研究热情也逐渐消退，没人愿意投资，研究被迫中止。 　　20 世纪90年代后，由于微机电系统（MEMS， Micro-Electro-Mechanical System）研究的成熟，重量只有几克的MEMS惯性导航系统被开发出来，这使得多旋翼飞行器的自动控制系统的制作成为可能，但由于当时计算机的计算你能力无法支撑飞控算法的实现，并且传感器采样数据的噪声太大，使得控制器的发展被限制。所以，直到2005 年，真正能稳定的多旋翼无人机飞控才被制作出来。这一切都得益于电子技术、微电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅猛发展，同时也归功于嵌入式芯片的大规模商用，使得越来越多的公司和个人投入到该飞行器的研究，且其用途也被不断拓宽，被越来越多的消费者所接