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四旋翼无人机可以实现飞行的垂直起降、定点悬停等其他飞行器完成不了的飞行任务,在军事和民用领域都得到广泛应用,已逐渐成为国际研究的热点,并深受研究者们的青睐。为实现其稳定可靠的飞行对于微处理器、导航技术、机体设计、多传感器技术、控制算法等各个方面都有较高的技术要求;因此,四旋翼无人机的研究给导航技术、多传感器技术、控制方法等领域提供了一个非常便捷、有效的研究平台,发展前景十分广阔。本文在综述飞行器的研究现状和应用前景的基础上,对多种控制算法展开分析说明,并针对其独特特性,重点对飞行器的数学模型、非线性控制器及数据滤波等问题进行研究,论文研究内容和主要工作如下:(1)建立四旋翼无人机的动力学模型:将飞行器视为刚体,选取影响其运动的关键力及力矩,再由牛顿-欧拉方程推导出系统状态方程和电机转子的数学模型。(2)基于Backstepping方法的四旋翼无人机控制器的设计:对Backstepping方法的思想理念、推导过程做了简要说明。在双回路结构控制基础上,根据前面建立的数学模型,将Backstepping方法进行改进,提出了基于准滑模反步法的控制器设计,对多个传感器的数据滤波过程进行说明,并通过仿真实验,与典型PID控制方法相比较。(3)四旋翼无人机的硬件设计:硬件设计包括主要对器件的选型和电路的设计。本文主控制器选用STM32F103RBT6芯片,传感器模块选用了MPU-6050、电子罗盘HMC5883L模块、超声波US-100模块,GPS;无线通信模块选用了NRF24L01芯片,并针对上述选择的器件自主设计了飞行器的硬件电路。(4)介绍了四旋翼无人机的软件设计和实验调试:根据硬件系统对系统软件的设计进行总体概括说明,为验证设计控制器的实际效果,对样机进行了室内性能测试。随后对设计的控制系统进行整体概括,对存在的不足和缺点提出了下一步的工作任务。