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四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中的一种,它有四个与螺旋桨直接相连的转子,被放置在距离飞行器质量中心等距的方形结构中。飞行器是通过调整电机转子转速来进行姿态与位置控制,正是由于这种简单的结构设计,使其具有灵活的机动性,能够垂直升降、悬停和沿任意方向飞行,其独特的结构及运动控制方式使其可以适用于多种复杂环境中。然而,由于飞行器有六个自由度(三个平移和三个旋转运动),只有四个输入,因此是一个四输入、六输出多变量的欠驱动系统。同时它的姿态和位置运动是相互耦合的,使得它的运动学模型是高度非线性,考虑到复杂的空气动力学效应,模型的建立具有不确定性等特性。为了保证飞行器安全、快速、稳定的飞行,姿态测量系统与控制系统是整个飞行器的关键问题。通过将控制指令与姿态测量系统的反馈信息相结合,并经过控制系统解算出控制执行器的PWM信号驱动电机带动螺旋桨转动,实现可靠的飞行动作。针对四旋翼飞行器的模型特点,本文以小型四旋翼飞行器为研究对象,根据牛顿-欧拉方程建立了四旋翼飞行器的运动学和动力学模型,通过对飞行器的系统模型解耦,解决了飞行器欠驱动控制问题。通过简化系统模型,对四旋翼飞行器的姿态与位置控制分别设计了PID控制算法和线性二次型(LQR)控制算法,同时设计了一种串级PID控制算法对飞行器位置进行定点控制。针对所设计的控制算法,使用MATLAB/SIMULINK工具搭建了四旋翼飞行器仿真环境。通过仿真优化模型参数及控制器仿真参数,最终得到了四旋翼飞行器的姿态与位置控制及定点控制的仿真结果。仿真结果验证了算法的正确性,在理论上实现了对飞行器姿态与位置的准确控制。为了验证PID控制算法在真实环境中运行效果,设计了以STM32F4为主控制器,结合陀螺仪和加速度计传感器MPU6050、磁力计AK8975及气压计MS5611等MEMS传感器测量系统对飞行器进行实时控制。根据MEMS传感器的特性,使用MATLAB自带的FDATOOL分别对加速度计和陀螺仪输出数据设计了15阶的FIR低通滤波器,对磁力计输出数据设计了16深度的窗口滑动滤波器,并通过设计的互补滤波器完成飞行器的姿态解算。使用C语言编写软件控制算法,并对所设计的软硬件飞行系统进行实验飞行,实验结果表明所设计的控制算法能够对飞行器实现快速、稳定、准确的控制,同时所设计的控制算法具有较好的鲁棒性。