可变翼无人机姿态及飞控系统研究

发布时间：2017-10-24 05:21

  本文关键词：可变翼无人机姿态及飞控系统研究

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【摘要】：在当今科技快速发展的背景下,无人机的研究取得了很大的进展。变后掠翼技术的应用可以使飞行载体在飞行中通过实时改变机翼达到提高不同飞行状态下飞行效率的效果。在工程应用中,载体的姿态测量方法是一个热点,如何在含噪声的数据中得出高精度的载体姿态数据始终是工程项目的一个难点。目前,捷联惯性导航系统(SINS)是获取载体姿态信息的重要技术之一,利用SINS进行载体姿态测量是目前国内外研究的热点之一。本文在对国内外可变翼无人机研究现状分析的基础上,接着详细介绍了捷联惯导系统的工作原理,根据姿态测量的需要,给出了几种常用的坐标系以及坐标间转换的相关定义,着重给出了本地NED坐标系和载体坐标系之间的坐标转换。同时对姿态矩阵计算进行研究,给出了欧拉角法、方向余弦法、四元数法三种解算姿态矩阵的公式。对上述几种有关捷联惯性导航系统导航参数的解算方法以及姿态角的求解进行了分析,为载体姿态信息的获取做好了理论准备。为更好的对可变翼无人机飞控系统进行了一个总体的分析,文章提出了以STM32F103ZET6作为主控制器设计了一套小型变后掠翼无人机飞控系统。选用了集成三轴陀螺仪及三轴加速度计的MPU6050传感器,低功耗的HMC5883L三轴磁强计等传感器。按照模块化的思想,对飞控系统总体方案进行设计以及对各传感器模块进行测试。最后,通过显示模块对载体的姿态数据、温度及高度等信息进行实时显示。通过上述对可变翼无人机飞控系统的软硬件设计,为使无人机在导航方面测得更加精确的姿态信息,于是对其采用组合导航的测姿方案。文章首先对选用陀螺仪、加速度计及磁强计组合测姿原理进行了分析。再次,介绍了PI控制处理偏差,并给出组合测姿系统中姿态角的获取流程。最后,为了对姿态数据测试的方便,选在三轴平台环境之下进行测试,飞控系统得到的姿态数据经MATLAB仿真,得出姿态角误差图。通过对组合导航测姿与仅使用陀螺仪测姿两种方案下姿态角误差值的比较,有效的证明了组合导航解算得到的姿态信息效果更好。
【关键词】：变后掠翼 姿态 四元数 PI 组合导航
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 研究的背景和意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 无人机国外研究现状10
• 1.2.2 变后掠翼技术国外研究现状10-12
• 1.2.3 无人机国内研究现状12
• 1.2.4 变后掠翼技术国内研究现状12-13
• 1.3 研究内容及论文结构13-15
• 1.3.1 研究内容13
• 1.3.2 论文结构13-15
• 第2章 捷联惯导系统的基本理论15-22
• 2.1 捷联惯导系统的原理15
• 2.1.1 捷联惯导系统的概述15
• 2.1.2 捷联惯导系统的原理15
• 2.2 捷联惯导系统的坐标系15-21
• 2.2.1 坐标系的概述15-16
• 2.2.2 坐标系的类别16-17
• 2.2.1.1 地心惯性坐标系16
• 2.2.1.2 本地NED坐标系16
• 2.2.1.3 载体坐标系16-17
• 2.2.1.4 速度坐标系17
• 2.2.3 旋转矩阵及姿态角17-21
• 2.2.3.1 旋转矩阵及姿态角定义17-20
• 2.2.3.2 姿态角的确定20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 捷联惯导系统的姿态解算22-33
• 3.1 欧拉角法22-23
• 3.1.1 欧拉角的定义22
• 3.1.2 欧拉角法22-23
• 3.1.2.1 欧拉角微分方程23
• 3.2 方向余弦法23-26
• 3.2.1 方向余弦的定义23-24
• 3.2.2 方向余弦法24-26
• 3.2.2.1 方向余弦矩阵微分方程25-26
• 3.3 四元数法26-29
• 3.3.1 四元数的定义26
• 3.3.2 四元数法26-29
• 3.3.3 四元数的微分方程29
• 3.4 基于四元数法的姿态解算29-31
• 3.5 本章小结31-33
• 第4章 飞控系统的硬件设计33-45
• 4.1 飞行平台的选择33-34
• 4.2 飞行控制系统总框架34-35
• 4.3 STM32模块设计35-44
• 4.3.1 微控制器选型35-36
• 4.3.2 主控制器硬件设计36
• 4.3.3 串口通讯电路设计36-37
• 4.3.4 高度传感器模块设计37-38
• 4.3.5 惯性传感器模块设计38-41
• 4.3.5.1 惯性传感器选型38
• 4.3.5.2 惯性传感器MPU6050简介38-40
• 4.3.5.3 惯性传感器HMC5883L简介40-41
• 4.3.6 伺服驱动系统41-42
• 4.3.7 数据显示模块设计42-44
• 4.3.7.1 TFT-LCD简介42-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第5章 飞控系统的软件设计45-59
• 5.1 软件开发环境45
• 5.2 I~2C总线协议45-47
• 5.3 传感器模块数据的采集47-53
• 5.3.1 MPU6050的数据采集47-49
• 5.3.2 HMC5883L的数据采集49-50
• 5.3.3 气压高度计的数据采集50-53
• 5.3.3.1 气压与高度的换算50-51
• 5.3.3.2 BMP180的数据采集51-53
• 5.4 驱动系统的软件设计53-55
• 5.4.1 PWM信号输出53-54
• 5.4.2 PWM信号的控制54-55
• 5.5 数据显示模块的软件设计55-58
• 5.5.1 TFT-LCD显示模块接口功能简介55
• 5.5.2 FSMC简介55-56
• 5.5.3 TFT-LCD的数据采集56-58
• 5.6 本章小结58-59
• 第6章 组合导航测姿59-69
• 6.1 概述59
• 6.2 多传感器组合导航测姿方案的基本原理59-60
• 6.3 累积误差的获取60-62
• 6.3.1 叉积的概念60-61
• 6.3.2 叉积在三维空间中的应用61
• 6.3.3 利用叉积获取累积误差值61-62
• 6.4 多传感器组合测姿62-66
• 6.4.1 比例-积分控制概述63-64
• 6.4.2 组合测姿的姿态角获取64-66
• 6.5 实测数据对比分析66-68
• 6.5.1 数据测试平台简介66
• 6.5.2 实测数据分析66-68
• 6.6 本章小结68-69
• 第7章 总结与展望69-71
• 7.1 总结69
• 7.2 展望69-71
• 参考文献71-73
• 致谢73-74
• 附录74-76

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本文编号：1087233