摘要：随着无人机技术的快速发展，小型四旋翼飞行器已经慢慢地融入了我们的生活当中，尤其在航拍、搜救等领域为我们提供了越来越多的帮助和便利。四旋翼飞行器结构简单，控制算法灵活多样，可以不受地形限制完成垂直起飞和降落，以及空中悬停。本文以四旋翼飞行器为载体，设计一款搜救型无人机的控制系统。

-首先，采用STM32单片机为主控制芯片，在硬件上搭载三轴陀螺仪、三轴加速度计以及电子罗盘、气压计等多个传感器，完成了整体硬件的设计与搭建。其次，利用四元数法对四轴飞行器姿态进行解算，利用超声波、气压计、GPS模块和加速度计进行空间位姿的解算，并采用经典PID控制算法与LADRC控制算法串级控制完成飞行器姿态和位置的控制。最后，对系统进行了实验与调试，通过多次试飞表明，该无人搜救飞行器飞行效果良好，具有较高的稳定性。

关键词：四旋翼， 姿态解算， PID控制， LADRC控制

目 录

摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论...1

1.1研究背景-1

1.2课题研究的现状及发展趋势-1

1.3本课题研究的意义-3

1.4 本文研究内容和方法-3

第二章 总体方案设计...4

2.1四旋翼飞行器飞行原理-4

2.2系统总体方案设计-4

2.2.1无人搜救飞行器总体方案设计-5

2.2.2地面监控系统方案设计-5

2.2.3飞行控制器算法方案设计-6

第三章 系统的硬件结构设计...7

3.1系统硬件结构-7

3.2传感器模块-8

3.2.1惯性传感器-8

3.2.2罗盘传感器-11

3.2.3气压传感器-12

3.3 其他硬件模块-12

3.3.1 Flash闪存模块-12

3.3.2 无线通信模块-13

3.3.3 机架与螺旋桨-13

3.3.4 电机与电子调速器-14

3.3.5 遥控器模块-15

第四章 飞行器姿态与位置解算.17

4.1传感器信号处理-17

4.1.1 加速度计信号处理-17

4.1.2 陀螺仪信号处理-17

4.1.3 磁力计信号处理-17

4.2基于四元数解算姿态-18

4.2.1坐标系-18

4.2.2旋转矩阵-19

4.2.3四元数-20

4.2.4 姿态解算-21

4.3 位置解算-24

4.3.1 水平位置解算-24

4.3.2 竖直位置解算-24

第五章 飞行器的控制算法.25

5.1 姿态控制-25

5.1.1 PID控制器-25

5.1.2 LADRC控制器-25

5.1.3 PID-LADRC串级控制器-27

5.2 Z轴高度控制-27

5.2.1 升降速度控制-28

5.2.2 定高控制-28

5.3定向控制-27

第六章 实验与调试.31

6.1 调试平台-31

6.2 系统调试-31

第七章 总结与展望.....33

7.1 总结-31

7.2 展望-31

参考文献...34

致    谢...36

附    录...37