四转子姿态控制系统及基于PID算法的研究

【摘要】: 四旋翼飞机是一个复杂的控制对象，具有很强的耦合性，不稳定性和非线性. 它的姿态控制方法包括机械，传感器通信，计算机处理和无线通信. 本文的研究工作集中在传感器的调试，动态模型的建立与仿真，WIFI数据通道的建立以及基于PID的控制算法的设计上. 本文通过研究四轴飞行器的结构特点，姿态计算方法和飞行控制技术，设计了S3C2440主控制芯片作为硬件开发平台基于pid控制算法，并在Linux环境下进行了软件开发. 硬件平台将飞行姿态控制系统与MPU-6000和KS103作为惯性测量单元集成在一起. 在软件设计中，以Linux系统作为运行平台，在PC机上构建交叉编译环境，编写应用层和控制算法层程序. 在数据通道方面，传感器和主控芯片的数据分析是通过RS232和IIC协议实现的，而与上位机之间的数据通道是通过TCP下的套接字通信协议建立的. 通过加权方法，将电流传感器的加速度数据和陀螺仪的测量数据融合在一起，以估计当前的运动姿态. PID控制器的模糊输入将产生的姿态角与稳定姿态角之差作为PID输入.PID控制算法计算与当前角相对应的电机调整量基于pid控制算法，然后迅速收敛到稳态角. 更改旋翼速度以使飞机调整到稳定的姿态. 本文设计了四旋翼自动飞行控制系统的总体设计，并建立了硬件和软件平台，重点是传感器的调试和算法设计. 分别阐述了桨距角比例，积分和微分的三种收敛算法，并设计了增量PID软件算法. 最后，对四转子的俯仰轴姿态进行了建模与仿真. 测试结果表明，本课研究的四转子姿态控制的PID算法是可行的，保证了起飞阶段气流扰动较小时四转子姿态的稳定性.

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