微小型无人旋翼飞行器的研究与设计

发布时间：2017-11-13 19:23

  本文关键词：微小型无人旋翼飞行器的研究与设计

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【摘要】：在无人操控的旋翼型飞行器中,最常见的是无人直升机和四旋翼飞行器。无人直升机或四旋翼飞行器在飞行过程中,易受飞行空域环境因素的制约,其暴露在外、且高速旋转的桨叶若碰到障碍物将可能因冲击断裂而导致坠机,致使飞行任务中断;此外,在无人直升机或四旋翼飞行器起飞或降落时,其起落架对地形平坦与否有着严格要求,不平的地形将直接影响无人直升机和四旋翼飞行器的姿态平稳性,也可能因起飞或降落姿态不妥而致使飞行任务流产。为避免这些严重后果的出现,本文设计了一种加装螺旋桨防护架、且对地形有着自适应特性的共轴反桨球形飞行器。首先,本文从飞行器结构和控制系统硬件上入手,进行了深入细致与科学合理的总体设计,制定了结构总体设计目标和控制系统硬件方案。根据飞行器的性能指标和技术要求,提出了多种结构布局形式,通过对比分析选择了共轴反桨、四个舵面的结构布局形式;完成了飞行器部件设计和选型,主要工作包括:动力部件选型、控制部件选型和飞行器本体设计。为提升上述设计工作的可靠性、可行性与优越性,特地对国内外开源飞行控制器硬件电路进行了对比研究,决定采用陀螺仪、加速度计和磁力计提供航姿参考系统,气压计结合GPS提供位置信息的传感器检测系统设计方案。与此同时,还设计了球形飞行器的硬件电路,主要包括:双STM32的控制电路、供电电源电路、SD卡电路、气压计电路、IMU电路和无线通讯电路。其次,本文在理论研究与实践探索相结合的基础上,探讨了多传感器信息融合算法和姿态控制算法;建立了地球坐标系、飞行器坐标系和传感器坐标系,使用欧拉角或四元数进行坐标变换。为了得到更为准确的姿态信息,对陀螺仪和加速度计进行了校准。接着研究了陀螺仪和加速度计数据融合算法,主要包括:线性互补滤波、梯度下降法和扩展卡尔曼滤波算法。通过对比,发现扩展卡尔曼滤波算法精度较高、实时性较好,可应用于飞行器姿态解算。为此,建立了基于飞行器悬停的控制模型,构建了飞行器的控制策略,飞行器控制中采用了一种基于角速度反馈的PI控制。对飞行器的控制算法流程进行了详细设计,主要包括:输入捕获、调试通讯、串口通讯、信息存储和动作执行程序。最后,本文对所研制的共轴反桨球形飞行器进行了调试实验。以市场上高精度IMU产品作为参照,测试了传感器在静止、运动状态中对电机振动的敏感度,实验表明经扩展卡尔曼滤波算法融合后的传感器数据能够满足球形飞行器姿态信息需求。通过多次试验,确定了一组可以使该共轴反桨球形飞行器具有较好飞行性能的PID参数;该飞行器在室外大空域复杂天气条件下进行了多轮试飞试验,试飞结果表明:本文所研制的控制器能够非常有效地接收遥控器信号,控制该飞行器完成悬停、机动飞行等多姿态飞行动作,飞行效果十分出色,由此证明其结构设计的合理性与控制方式的高效性。相关研究成果可为类似产品的设计与开发提供有益的参考与借鉴。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

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本文编号：1182062