致谢 27

参考文献 28

1。引言

本章主要介绍本课题的研究背景，对多旋翼飞行器的相关概念进行了基本的介绍，解释了研究多旋翼飞行器姿态控制系统的意义，探究了国内外该领域的研究现状，最后简述了论文的组织结构。本章由研究背景、国内外研究现状、论文组织结构三部分组成。论文网

1。1 研究背景和意义

多旋翼无人飞行器[1]（Multi-Rotor Aircraft，MRA）指的是在机身四周对称分布有多个（不少于四个）成对的旋翼，每一对旋翼旋转方向相反，给予机体升力的自主飞行的飞行器[1]。比较多见的有四旋翼飞行器、六旋翼以及八旋翼飞行器。多旋翼飞行器的主要优点是结构简单，操纵方便，稳定性良好等，在非长距离任务中有很卓越的表现。

相对于普通的直升机，多旋翼直升机的优势是十分明显的，不仅体现在大小，而且体现在它的结构上。首先，我们不需要通过对旋翼角度或旋翼到中心距离进行改变来操控飞机这样繁琐的手段，而只需要改变旋翼速度即可[2]。其次，由于有多个旋翼承载重量，单个旋翼的大小可以有所缩小，更贴近机身，这样与外界发生的碰撞概率也大大减小了。而对旋翼速度的变化仅仅通过改变电机电压即可，操作简单、迅捷，可以大大提升多旋翼飞行器的操控敏捷性。这种安全性高，操纵性好，灵活性强的飞行器广受各界学者欢迎和关注，迅速成为各领域研究焦点之一。无人飞行器的研究跨学科、跨领域，运用到很多方面的知识与技术，最受关注的的技术当属它在飞行中的自动控制算法。

多旋翼飞行器具有一个临界稳定的结构[3]，如果没有对其飞行状态进行控制的系统，则在操纵过程中很快会发生倾覆等后果。对多旋翼飞行器的飞行控制主要分为对其飞行姿态控制的内环控制和对位置实行控制的外环控制，而姿态的变化是导致飞行方向位置变化的基础，良好的内环控制对外环控制的敏捷性有极大的帮助，所以对飞行器飞行姿态的控制是实现无人飞行器飞行控制的基础和中心。在本文中，我们以最经典的四旋翼飞行器为基础，研究多旋翼飞行器的飞行姿态控制系统。

1。2 国内外研究现状

1。3 论文组织结构

本文共分四章，第一章介绍课题的研究背景和意义，介绍了多旋翼无人机的定义及优点，介绍了国内外研究现状，分析了进行本课题研究的必要性；第二章介绍了基于四旋翼飞行器的相关基础知识，如结构和飞行原理，动力学建模，介绍了PID的相关知识；第三章介绍飞行器姿态控制系统的设计内容；第四章给出基于MATLAB的Simulink仿真结果；最后对全文进行总结以及对未来工作进行展望

2。

相关基础知识

本章介绍了进行课题研究所需的相关基础知识，包括对四旋翼飞行器的介绍，对飞行器进行力学和动力学建模的基本知识和PID控制器，以及进行研究所使用的软件环境进行了简要说明。

2。1 四旋翼飞行器的结构与控制原理

传统直升机一般由一个顶部旋翼和一个尾翼组成动力系统，改变飞行状态是通过改变旋翼与气流的切角。而四旋翼飞行器却不是通过改变旋翼角度，四旋翼飞行器四个旋翼是固定的，当改变飞行状态时，飞行器的四个旋翼的旋转速度将会改变，从而改变飞行的状态。它的飞行原理[7][8]如下：

四旋翼飞行器的四个旋翼分布在如图2。1的四个角。每个翼都由一个单独的电动机控制，分布方式和旋翼相同，一一对应。如果要改变飞行姿态则通过改变电动机的电压控制旋翼的升力来实现。图2。1是四旋翼飞行的典型结构，位于前面的1旋翼和后面的3旋翼被称为纵向，其旋转方向是逆时针，2旋翼和4旋翼被称为横向旋翼，其旋转方向是顺时针，由于旋翼旋转通过空气阻力会产生平面的转矩，这样分配可以抵消掉转矩。通过产生横向旋翼的转速差，可以产生横向力矩，进而进行横向翻滚。通过产生纵向旋翼转速之差，可以产生纵向力矩，使飞行器前俯或后仰。而飞行器航向的偏转则通过横向总升力和纵向总升力之差产生偏航的力矩，从而实现偏转。