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四旋翼无人机控制算法在农业植保中的应用

摘要

四旋翼无人机作为近年来国内外对于无人机学技术研究领域中最热门的领域

之一，在学技术日新月异的当今，人们赋予了无人机极大的期望，它具备了体积

小、飞行方式灵活、并且能够同时携带某些载荷等优势，这些新型功能都让它们在

各种军用民用的各个领域都已经拥有了非常广泛的应用。在当今我国现代工程技术

和材料学与工程技术进步及经济飞速发展的今天，其性能将必然会得到较大的改

善，性能得到了改善就会有更多的用户选择，那么其用途也必然会具备更广阔的发

展前景。本文基于模糊PID控制方式摸索出了一种控制四旋翼无人机飞方位和姿势

的控制算法路径，以弥补四旋翼无人机飞行控制效果不佳的问题。

首先，基于欧拉方程和牛顿定律，对四旋翼无人机在两种不同位置坐标系下的

动力学模型进行了推导，一种是惯性坐标系一种是机体坐标系。基于这一推导得到

的动力模型，在matlab的simulink模块中对无人机进行了仿真框图的设计和搭建，

构造得出了完整的四旋翼无人机飞行动力学仿真模型。基于这个模型把pid控制技

术应用到这个模型中对飞行方位进行控制的姿势进行控制。通过对四旋翼无人机进

行3D建模并得到了相关的参数，基于这些参数完成了建模工作，并开展了仿真实

验工作。

然后，在matlab的simulink环境中与模糊pid控制器相互串联，并对模糊pid

控制系统进行了大量的仿真和实验并，作为比较还建立了经典pid控制系统。

最后，通过两种pid控制器与无人机飞行动力学模型串联并仿真实验结果可以

确认，模糊闵控制技术具有良好的综合性能，具有较快的时间和相应速度，可以

有效的保证飞行器在时间内达到其所预定的目标值，并且可以获得一个稳定的飞行

状态。

关键词：无人机，四旋翼无人机，stm32,模糊PID,动力学模型

目录

绪论1

第一章发展现状及主要研究内容1

1.1四旋翼无人机发展现状1

1.2论文的主要研究内容3

第二章四旋翼飞行器飞行平台总体设计4

2.1系统硬件4

第三章四旋翼无人机的理论建模7

3.1四旋翼无人机的结构与飞行原理7

3.2四旋翼无人机的动力学建模12

第四章四旋翼无人机控制理论19

4.1PID控制原理19

4.2模糊PID21

4.3四旋翼无人机的姿态和高度控制设计23

4.3本章小结25

第五章四旋翼无人机仿真模拟与实验26

5.1四旋翼无人机动力模型仿真26

5.2模糊PID与PID控制器仿真27

5.2仿真结果30

5.3控制器分析与对比32

5.4本章小结32

结论33

参考文献35

绪论

无人驾驶民用飞机通常也被简称“无人机〃，英文英语缩写简称为UAV，是

一种可以直接完全利用自动应用程序功能来直接进行无人操纵的非载人自主驾驶民

用飞机⑴。与有人可以操作大型飞机的特殊情况条件相比，无人机往往更加容易适

合于那些十分危险的不能依靠人类去完成的飞行任务。无人机根据其主要应用领域

范围，可以大致划分表现为两种（许之博，郑晓鹏，2022）:军事与民用。而且在

现代军事技术方面，无人机又被广泛划分来作为各种侦查机和各种射击用的靶机。

民用工业机器人发展方面，无人机与“互联网+〃技术的相结合使得国内无人机行业

飞速发展，目前在高空航拍、农业、植保、微型自动航拍、快速交通运输、灾害应

急救援、观测保护野生动物、监测人类传染病、测绘、新闻调查报告、电力安全巡

检、救助、影视录像拍摄、制造浪漫等等各个领域的广泛应用，大大的逐步扩充了

民用无人机本身的应用功能与商业用途，发达国家也在积极地探索扩展各个服务行

业的人机应用和积极发展基于无人机的新技术（马丽娜，陈嘉伟，2023）。

第一章发展现状及主要研究内容

1.1四旋翼无人机发展现状

近年来，无人机越来越受到人们的重视，致使无人机的技术和市场在全球范围