四旋翼无人机载云台的建模与控制研究

发布时间：2017-10-25 07:28

  本文关键词：四旋翼无人机载云台的建模与控制研究

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【摘要】：随着无人机自动驾驶仪集成化程度的提高和传感器检测精度的提高,无人机(UAV)在民用、工业和军事领域的应用越来越广泛。其中,机载平台稳定控制的研究是低空拍摄、海上监测等低空遥感技术中重要的组成部分。云台技术广泛应用在机载观测系统、弹载导引系统等军用领域以及一些航空测绘、森林火灾监测等民用领域,对我国经济和军事的发展有着重要作用。本课题以小型四旋翼无人机为载体,使用GoPro运动相机作为航拍负载相机,使用直流无刷电机作为云台框架的伺服电机,进行云台控制的研究。本课题首先对航拍云台系统进行了规划设计,选用正弦PWM控制的方法控制云台直流无刷电机,对云台的控制系统进行了设计;然后根据云台的框架结构、运动学方程解算出框架轴隔离机体运动干扰的方程,并结合直流电机的机电原理和本课题云台电机的参数推导出了云台控制环节的精确模型;通过对控制模型的仿真分析,对稳定环节进行PID串联校正,并用改进的遗传算法对PID参数进行寻优,通过MATLAB仿真验证了遗传算法优化的PID参数使系统无超调,调节时间更短;然后把设计的控制算法写入到云台主控制板BruGi中,并对云台主控制板的软件和硬件进行了改进;搭建了云台实时调试系统,利用上位机对云台控制器的稳定性进行了验证,结果证明了采用遗传算法进行PID参数调节的优越性,以及自主编写的控制程序的可行性和可靠性。
【关键词】：BruGi 两轴云台 控制模型 遗传算法 PID
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V275.1;V249.1
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 本课题选题背景及意义12
• 1.2 国内外高稳定性云台的研究现状12-15
• 1.2.1 国内外云台控制器的研究现状及分析12-13
• 1.2.2 国内外稳定云台应用发展现状13-14
• 1.2.3 机载云台控制研究现状及分析14-15
• 1.2.4 遗传算法的发展及其概述15
• 1.3 论文的主要研究内容及其结构15-18
• 第2章 航拍云台系统总体设计18-25
• 2.1 航拍系统组成及其工作原理18-22
• 2.1.1 云台框架结构19-20
• 2.1.2 TL68A00直流无刷电机20
• 2.1.3 云台控制器BruGi V3.020-21
• 2.1.4 云台传感器MPU605021
• 2.1.5 RC接收机与遥控器21-22
• 2.2 直流无刷电机的控制设计22-24
• 2.2.1 直流无刷电机的正弦波控制23-24
• 2.3 本章小结24-25
• 第3章 两轴云台数学模型的建立25-35
• 3.1 云台系统建模假设条件25
• 3.2 两轴云台结构简介25-26
• 3.3 云台坐标系建立26-30
• 3.3.1 云台框架概念定义26
• 3.3.2 坐标系建立26-28
• 3.3.3 各框轴间的坐标变换28-30
• 3.4 直流电机以及负载框架数学模型建立30-33
• 3.4.1 直流电动机的电流环模型31-32
• 3.4.2 无刷直流电机PWM功率放大32-33
• 3.4.3 陀螺仪33
• 3.5 稳定云台控制回路模型33-34
• 3.6 框架轴的主要干扰分析34
• 3.7 本章小结34-35
• 第4章 云台控制器的设计35-51
• 4.1 云台稳定控制设计35-38
• 4.1.1 稳定模型分析35-36
• 4.1.2 云台稳定回路参数计算选取36-38
• 4.2 两轴云台稳定性能指标38-39
• 4.3 未校正稳定环的分析39
• 4.4 经典PID控制与数字PID控制算法39-42
• 4.4.1 经典PID算法40-41
• 4.4.2 数字PID控制算法41-42
• 4.5 PID控制器参数的选择42-47
• 4.5.1 遗传算法流程42-43
• 4.5.2 遗传算法改善43-44
• 4.5.3 遗传算法PID参数寻优过程44-47
• 4.6 基于改进遗传算法的PID控制优化实现47-50
• 4.6.1 控制系统仿真和参数的寻优47-50
• 4.7 本章小结50-51
• 第5章 云台控制系统Gimbal Controller硬件简介51-60
• 5.1 Gimbal Controller概述51
• 5.2 Gimbal Controller硬件设计51-56
• 5.2.1 Gimbal Controller实物结构51-53
• 5.2.2 BURGI V3的原理图设计53-56
• 5.3 BURGI V3硬件配置及传感器56-57
• 5.3.1 BURGI V3的配置连接56
• 5.3.2 MPU605056-57
• 5.4 BURGI V3软件开发环境57-59
• 5.4.1 BURGI V3上位机软件介绍57-58
• 5.4.2 Arduino58-59
• 5.4.3 Atmel Studio 6.259
• 5.5 本章小结59-60
• 第6章 BruGi云台控制板的系统软件硬件改进设计60-65
• 6.1 BruGi软件的改进及解析60-63
• 6.2 BRUGI的硬件改进63-64
• 6.2.1 BRUGI的防电源反接电路优化63-64
• 6.3 本章小结64-65
• 第7章 云台控制系统的调试验证65-69
• 7.1 云台调试系统的搭建65-66
• 7.1.1 建立上位机连接配置65-66
• 7.2 云台实时调试稳定分析66-67
• 7.3 实际航拍实验67-68
• 7.4 本章小结68-69
• 结论69-71
• 附录Ⅰ PID控制程序71-73
• 附录Ⅱ CRC校验程序73-76
• 参考 文献76-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士期间发表(含录用)的学术论文79

【参考文献】

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本文编号：1092703