四旋翼无人机控制系统及视觉定位设计

发布时间：2020-03-23 11:14

【摘要】：四旋翼无人机因其结构对称、机动性强、稳定性好、能垂直起降等诸多优点,使无人机相关的研究成为了学术领域和军用领域的热点问题。四旋翼无人机是一个多变量、强耦合、非线性、欠驱动的复杂系统,易受风力、温度等外界因素的影响,使它的姿态控制具有一定的难度,这就对整个飞行控制系统的设计提出了极高的要求,也使得飞行控制算法和姿态算法研究成为四旋翼无人机控制关键技术。无人机通常采用GPS进行定位,但在GPS信号较差或缺失的室内,无人机就无法利用GPS准确定位,因此出现了一种新的技术——基于视觉的无人机定位,并成为当前的研究热点。本课题从四旋翼无人机控制和无人机视觉定位两个方面做了以下工作:(1)研究四旋翼无人机的基本机构和飞行原理。设计了无人机机架,根据牛顿第二定律,构建了四旋翼无人机的外力平衡方程和运动学方程。在合理的假设条件下,得到了四旋翼无人机的简化数学模型,进行了四旋翼飞行控制系统理论研究。(2)研究无人机控制算法和姿态解算算法。用数字滤波器对传感器原始数据进行了处理;研究了基于四元数的互补滤波算法进行解算姿态;采用了双闭环PID控制算法对无人机进行了姿态控制和定位控制。(3)设计了四旋翼无人机控制系统,包括硬件电路设计和软件系统设计。以STM32F407作为主控制器设计了硬件电路,包括传感器数据采集电路、稳压电路、电流电压采集电路、飞控遥控通信电路、PC上位机与飞控通信电路、微型电脑与飞控通信电路、电机控制电路以及辅助功能电路等。用AD软件完成了飞控PCB和遥控PCB的设计;飞控软件系统设计采用C语言在硬件系统上进行开发,通过自定义通信协议完成了飞控与遥控器、飞控与PC上位机的通信,周期性地采集并处理数据,控制无刷电机实现了双闭环PID控制算法和姿态算法。(4)研究了 ORB-SLAM视觉定位算法。搭建了视觉定位硬件系统,并在Ubuntu上移植了 ORB-SLAM算法,用C++语言修改调试了 ORB-SLAM的源代码,提取了相机位姿信息发送给飞行控制系统系统,实现了无人机视觉定位。
【图文】：

图１－３所示，为美国３Ｄ邋Ｒｏｂｏｔｉｃｓ公司设计的ｓｏｌｏ无人机［２７］，该无人机具有逡逑

图１－１麻省理工大学的Ｈｕａｎｇ邋ＡＳ逡逑（２）如图１－２所示，，为加拿大Ｓａｓｋａｔｏｏｎ公司设计的四旋翼无人机一Ｄｒａｇａｎｆｌｙｅｒ［２６］，逡逑
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279;V249.1

【参考文献】

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本文编号：2596642