基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制的设计与实现.doc
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1、基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制的设计与实现四旋翼飞行器与传统的单桨直升机相比,其飞行原理简单,结构紧凑,单位体积所提供的升力大,且可以扭矩自平衡而不需要反扭桨。四旋翼飞行器只通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作,是一种六自由度的垂直起降机,非常适合在静态和准静态条件下飞行,近几年在军事和民用领域广泛应用。然而四旋翼飞行器是个具有4个输入量,6个输出量的欠驱动系统,控制器的设计要求高。姿态解算是姿态参考系统的关键技术,算法的优劣直接决定了解算效率和系统的精度。目前姿态描述的主要方式有:欧拉角、方向余弦、四元素法。欧拉角物理意义明确,但存在奇点。方向余弦计算没有奇点,但三角函数运算量大,不适
2、合实时运算。四元素法没有奇点,而且运算为一般代数运算,运算量小,方法简单,易于操作。采用四元素法进行姿态解算是理想的选择。1、四旋翼飞行器工作原理四旋翼飞行器在结构布局上有十字形、X形和H形。本文主要讨论X形布局,如图1所示。4个电机分别安装在对称结构的X形支架的4个顶点,电机1和3逆时针旋转,电机2和4顺时针旋转,当飞行器平衡飞行时,陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。四旋翼飞行器在空间中有6个自由度(分别沿3个坐标轴作平移和旋转动作),可通过调节4个电机的转速来实现控制。基本运动状态:垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动、前后运动、侧向运动。垂直运动:同相改变四个电机的输出功率,使总的拉力改变,便实现飞行器沿z轴的垂直运动。当升力等于自重时,飞行器便保持悬停状态。俯仰运动和滚转运动:电机1、4的转速上升,电机2、3的转速下降。产生的不平衡力矩使机身绕x轴旋转,实现飞行器的俯仰运动。横滚运动与俯仰运动的原理相同。偏航运动:四旋翼偏航运动可以借助旋翼产生的反扭矩来实现。四个旋翼对角线上的两个旋翼转动方向相同,当两条对角线上的电机转速不完全相同时,不平衡的反扭矩引起四旋翼转动,实现偏航运动。前后运动和倾向运动:为实现水平面内运动,须在水平面内对飞行器施加一定的力。使飞行器做横滚或俯仰。飞行器发生一定程度的倾斜,从而使旋翼拉力产生水平分量,实现飞行器的水平运动。
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- 基于 STM32 四旋翼 飞行 姿态 控制 设计 实现
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