四翼飞行器姿态控制算法研究
1概述
1.1选题背景及研究意义
1.1.1选题背景
无人飞行器，是一种特殊的飞行器，这种飞行器可以按照预先设计好的飞行方案飞行，或者飞行过程中按照无线指令飞行而不需要机载飞行人员来控制飞行器的动作姿态。其飞行姿态是依靠微处理器的指令转换为格式的电机信号驱动电机来完成的。通过现代电子技术，结合飞行器的空气动力学原理来实现飞行器的路径规划⑴。与常规飞行器相比，无人飞行器的拥有体积更小，机动性能更灵活，飞行区域更广泛，尤其是在危险区域，恶劣环境下依然能正常作业等优点。在军用领域，无人机能够近距离执行侦察任务，低空隐蔽飞行，探索敌军环境，还可以在特殊情况下作为战场通信联系工具，更先进的甚至可以自带武器进行军事打击；在民用领域，无人飞行器可以进行数据釆集、灾情评估、交通监测、影视航拍、农田施肥喷药等工作，因此在军事和民用领域都成为研究热点。
从飞行器的机翼类型的角度来考虑，无人飞行器的机翼可以分为固定翼和旋翼两种，分别对应两种类型的飞行器，但是前者对场地要求荀刻，且不具备垂直起降和悬停的能力，难以完成复杂任务，而旋翼飞行器机动灵活，操控性强，能适应各种复杂任务。
旋翼飞行器的种类繁多，理论上存在二旋翼、三旋翼、四旋翼等多旋翼飞行器，但是对于奇数翼类型的飞行器，由于其自旋力矩无法在其内部自行抵消，使得飞行器硬件的布局和软件控制系统的建模设计更为困难，这也是为什么只有一个旋翼的飞行器存在尾部平衡翼的原因，因此常见的多翼飞行器都拥有偶数机翼。然而多旋翼飞行器随着机翼数据的增加，其机体设计和控制系统的实现难度将呈指数增加。在多旋翼飞行器中，四桨非共轴多旋翼飞行器（简称四翼飞行器），在拥有多旋翼飞行器的优势和低设计复杂度方面达到一种平衡，同时降低了制造研发成本和装配难度，其姿态解算算法和姿态控制算法是整个控制系统的关键，本课题基于微四翼无人飞行器，首先对其机体结构进行研究，分析飞行器模型，并研究姿态解算算法和姿态控制算法。
1.2发展历史及国内外研究现状
1.2.1发展历史
四翼飞行器有着很长的发展历史，其最早可以追溯到20世纪初期，由于早前的电子技术、计算机技术、控制技术等相关技术的制约，使得四翼飞行器初期发展缓慢。到20世纪末，随着科技的长足发展，微芯片技术的快速更新，四翼飞行器才开始快速发展起来。
该飞行器翼展8.1m，由四根双层管架组成机体，并按垂直分布。机体重约510g，能承载一名驾驶员，在反复试验过程中，飞行器的飞行高度能达到1.5m，但是不能在空中作长时间停留。由于技术限制，加之第一次经验不足，这架四翼飞行器的四台发动机均由驾驶员手动操控，而且飞行性能很不理想，飞行器的稳定性也比较差。但是作为四翼飞行器的第一次面世，这次飞行为四翼飞行器的发展提供了相当丰富和宝贵的经验。
此时的电子技术、控制技术和传感器技术的发展还相对落后，四翼飞行器都是向载人方向发展，通过飞行员手动操控飞行器的姿态，其软件控制系统还不能达到使四翼飞行器稳定、安全、高效、持续飞行的目标。直到20世纪80年代，得益于电子技术、微处理技术的长足进步以及控制理论的逐渐成熟稳重，飞行器向无人化、小型化方向发展，四翼飞行器控制系统理论有了新的突破，并取得很大的发展进步，随后就成功在军事和商业领域得到迅速的运用。
2四翼飞行器模型分析
2.1引言
本章主要建立起飞行器的硬件模型和数学模型，首先介绍了四翼飞行器的飞行原理，包括飞行器的坐标系环境、姿态描述以及六个自由度的飞行原理；然后对飞行器的硬件结构进行分析建模，重点介绍了系统结构图、芯片微控制器、加速度和角速度传感器以及电机控制；最后介绍了飞行器的空气动力学，并对飞行器进行数学建模，为后来的姿态结算和飞行控制算法做铺垫。
2.2四翼飞行器姿态表示方法
2.2.1四翼飞行器坐标系的建立
通过建立飞行器的参考坐标系系统，可以更好地展开对飞行器的姿态和运动的研究工作。为了对飞行器的动力学进行建模，主要建立两个坐标系，一个是载体坐标系，另一个是导航坐标系。
1.导航坐标系
导航坐标系是描述物体的位置运动和姿态运动的参考坐标系，定义为E（OXYZ）其原点可以选取地面的任一点，一般情况是物体的初始位置所在点，OX轴正方向与地理正东方重合，OY方向与地理正北方向重合，OZ方向与垂直向下的重力加速方向一致。如下图（2.1）导航坐标系所示。导航坐标系在惯性导航中也被称为亦称东北天坐标系（NEU），该坐标系符合右手法则。
在三维空间中物体的位置可用物体在空间中的三个方向上的平动来表示，物体的姿态可用物体在空间中三个方向上的转动来表示，对应于载体坐标系参考导航坐标系的平动产生的位移和转动产生的角度。如下图（2.3）所示为飞行器位置姿态图。
3飞行器姿态解算........27
3.1引言.......27
3.2数据滤波姿态解算方法........27
4飞行器姿态控制算法........39
4.1引言........39
5系统仿真..........53
5系统仿真
5.1引言
本章将基于前面的算法，在MATLAB上给出仿真结果并对结果分析，包括PID控制方法仿真、控制方法和滑模控制方法的仿真，并对仿真结果分析，对三种算法对比，然后在此基础上选取两个控制方式作为组合控制方法，并仿真验证其性能。实验过程中所使用到的飞行器的仿真参数如下：
6总结与展望
6.1总结
进入21世纪以来，无人飞行器得到了国内外学者和企业的广泛关注，各式各样的无人飞行器得以实现，四翼飞行器在由于其都特的结构和控制系统更是获得国内外学者的广泛研究。本文在这样一个背景下，对四翼飞行器的控制系统核心算法进行了研究，通过查阅资料，控制仿真，编码分析，得出控制算法性能结果。本文主要完成的工作有：
1.通过查阅资料，了解四翼飞行器的目前应用领域和未来可能的应用，同时对飞行器的历史、来源和发展进行查阅，以对四翼飞行器有一个深入全面的了解。并以此为基础，展开对飞行器的建模、姿态解算、控制算法等方面的分析和研究。
2.通过分析飞行器的坐标系统：机体坐标系和导航坐标系，建立起飞行器的姿态表示方法：欧拉角表示法和四元数表示法。同时在此基础上分析了飞行器的飞行器原理，研究并推导了飞行器的动力学模型和其现实方程。为下文的飞行器姿态和姿态控制研究做理论铺垫。
3.作为飞行器控制系统的重要一个部分，姿态解算算法也严重关系到飞行器控制系统性能，本文研究了几种姿态解算算法，并给出了其在飞行器控制系统中的设计步骤，并重点研究了基于四元数的姿态解算算法，给出了算法的过程。
针对本文的研究内容，也发现研究过程中也存在一些不足：
1.本文研究的飞行器模型做了稍微理想状况的假设，对真实环境缺乏模拟，使得应用该控制方法的飞行器在真实环境中的飞行性能可能存在差别。
2.飞行器电源管理控制这块没有涉及，应该在系统的实现过程中研究电源管理，以实现飞行器更加持久的飞行。
参考文献（略）