四旋翼小型无人飞行器

发布时间：2017-10-21 04:08

  本文关键词：四旋翼小型无人飞行器

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【摘要】：随着计算机科学和自动化技术的迅猛发展,智能化机器人的研发和应用逐渐成为学术团体和科研机构的焦点。四旋翼飞行器作为智能化机器人研究领域中的一员,涉及众多领域的高、精、尖技术,并凭借其新颖的结构、灵活的操纵性等优势,在国防领域、商用及民用领域等受到了越来越多的关注。本文在介绍了国内外四旋翼飞行器的研究现状、发展趋势和应用前景的基础上,旨在设计一种能满足基本飞行运动要求的四旋翼小型无人飞行器。通过研究四旋翼飞行器的结构、工作原理、姿态解算和姿态控制过程,设计了一款以Stm32单片机为核心,MPU6050为惯性测量单元的飞行控制系统。四旋翼飞行系统包括四旋翼飞行器、手持遥控器和上位机。四旋翼飞行器部分的MPU6050传感器是集三轴陀螺仪与三轴加速度传感器于一体的传感器,将测量的角速度量和加速度量的数值传送给Stm32进行数据融合,解算出当前的姿态,然后接收手持遥控器通过无线系统发来的运动指令,与之前的目标姿态融合成当前的目标姿态,通过当前的姿态和目标姿态计算出姿态差,然后将姿态差反馈到PID控制器,计算出四个电机的油门,不断的调节当前的姿态到目标姿态,即可实现各种复杂的运动。四旋翼飞行器的姿态,电池电量等数据可以无线传输到连接到电脑的手持遥控器,进而在上位机上可以3D显示四旋翼的姿态运动情况;同样,可以通过改变上位机上某些参数的值进而改变四旋翼飞行器的相应参数,这在调试过程中是非常方便的。论文最后对基于四元数的姿态解算算法进行了数据分析,可以验证横滚角的静态误差0.826°,俯仰角的静态误差0.945°,证明了姿态解算算法的可行性。同时进行了飞行测试,稳定的飞行可以验证基于四元数的姿态控制的可行性。因此,本文设计的四旋翼飞行器为今后功能更加强大的四旋翼飞行器打下了一定的基础。
【关键词】：四旋翼飞行器 姿态解算 姿态控制 四元数
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-16
• 1.1 选题背景与研究意义9-10
• 1.2 国内外研究历史与现状10-15
• 1.2.1 四旋翼飞行器的历史发展10-12
• 1.2.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 本文研究的主要内容15-16
• 第二章 四旋翼飞行器的基本原理16-23
• 2.1 坐标系16
• 2.2 姿态描述16-20
• 2.2.1 欧拉角17-18
• 2.2.2 四元数18-20
• 2.2.3 四元数与欧拉角的关系20
• 2.3 四旋翼飞行器的基本原理20-21
• 2.4 本章小结21-23
• 第三章 系统硬件设计方案23-38
• 3.1 系统硬件总体方案23
• 3.2 硬件系统原理图23-25
• 3.2.1 飞机部分整体原理图23-24
• 3.2.2 遥控部分整体原理图24-25
• 3.3 硬件模块设计25-35
• 3.3.1 电池充电电路设计25-26
• 3.3.2 电压转换电路的设计26-28
• 3.3.3 最小系统28-30
• 3.3.4 传感器模块30-31
• 3.3.5 无线传输模块31-33
• 3.3.6 电机驱动电路设计33
• 3.3.7 液晶显示电路设计33-35
• 3.3.8 摇杆及按键电路设计35
• 3.4 硬件系统PCB设计35-37
• 3.5 本章小结37-38
• 第四章 系统软件设计方案38-60
• 4.1 系统软件总体方案38-39
• 4.2 外围设备驱动程序的设计实现39-49
• 4.2.1 MPU6050传感器的IIC驱动39-40
• 4.2.2 无线模块的驱动及通信协议40-44
• 4.2.3 电机的PWM驱动44-45
• 4.2.4 LCD5110液晶驱动45-48
• 4.2.5 摇杆的驱动48-49
• 4.3 算法实现49-59
• 4.3.1 姿态解算的最陡下降算法49-53
• 4.3.2 姿态控制的PID算法53-59
• 4.4 本章小结59-60
• 第五章 系统实验和结果分析60-67
• 5.1 设计成果60-61
• 5.2 系统调试61-65
• 5.2.1 陀螺仪零偏不稳定61-62
• 5.2.2 姿态解算的调试62-63
• 5.2.3 PID调试63-64
• 5.2.4 重心不稳的改进64-65
• 5.3 结果分析65-66
• 5.3.1 姿态解算的误差分析65
• 5.3.2 飞行测试65-66
• 5.3.3 功耗分析66
• 5.4 本章小结66-67
• 第六章 总结与展望67-69
• 6.1 总结67-68
• 6.2 展望68-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-73
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文73

【参考文献】

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1 于青;AUV捷联式惯性导航系统研究[D];中国海洋大学;2008年

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本文编号：1071174