基于UWB定位的四旋翼无人机室内导航与控制研究

发布时间：2020-04-13 05:16

【摘要】：随着无人机在室内场景的应用需求越来越大,国内外对无人机室内导航与飞行控制的研究也越来越受到重视。通常情况下室内环境较为复杂多变,精确而可靠的室内导航算法与飞行控制算法是保障无人机完成预定任务的关键。本文以小型四旋翼无人机的室内导航与控制为应用背景,提出了基于多传感器融合技术的室内导航定位方法,并以四旋翼飞行器为平台进行建模与控制器的设计。论文的主要研究内容如下:首先,本文选择四旋翼飞行器为实验平台,搭建了适用于室内导航飞行控制的硬件平台,并介绍了软件系统的主要功能。其次,分析了作用在四旋翼飞行器上的力和力矩,并采用Newton-Euler方法建立了四旋翼飞行器的非线性数学模型,将应用在滤波器和控制器的设计中。考虑到工程实现的需要,还建立了四旋翼的控制效率模型和动力单元模型的传递函数。此外,通过实验和理论计算的方法确定了飞行器的转动惯量以及螺旋桨的升力系数等参数。然后,提出了一种基于超宽带(Ultra-Wideband,UWB)定位的室内导航定位系统方案,主要可分为姿态估计和位置速度估计两部分,分别对其设计了EKF进行融合多种传感器数据。针对姿态估计问题,采用了基于误差四元数的EKF算法,通过实验测试了姿态算法的有效性。针对位置速度估计问题,采用了多速率卡尔曼滤波器的方法处理不同采样速率多个传感器,实验结果表明该算法能够得到优于单一传感器精度的估计值。最后,证明了四旋翼非线性动力学系统是微分平坦的,在此基础上,采用非线性几何控制方法对四旋翼飞行器设计了轨迹跟踪控制器。针对四旋翼的欠驱动特性,将其轨迹跟踪问题分为姿态控制模式和位置控制模式两个飞行模式,分别进行控制器的设计。并且通过仿真实验验证了姿态控制器的有效性,能够实现四旋翼无人机的大机动飞行。
【图文】：

第二章 系统总体方案设计第二章 系统总体方本文以无人机室内导航与飞行控制为主要研究内容相应的电子信息系统，用于开展相关算法的验证实验。息系统的总体方案，针对整个四旋翼电子信息系统从绍。其中，，硬件上着重介绍了飞行控制系统和 UWB 室软件上主要介绍各个软件子系统的功能。2.1 飞行器平台介绍在众多无人机中，四旋翼除了具有可垂直起降的特易于操控等突出优点。因此，本文选择了四旋翼飞行器航与控制算法的性能，如图 2-1a 所示。

加速度计气压计控制器UWB标签数据存储模块遥控接收机四旋翼动力系统PWM飞控系统图 2-3 飞行控制系统的硬件结构框图为了提高系统的集成度并方便整合各种传感器，本文自主设计了一个 PCB 板，将主控制器、陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计等元器件集成到一起，称之为飞行控制主板。飞控主板上还集成了电源模块、数据存储模块、电机驱动信号接口，以及预留了多种通信接口，以方便连接无线数传、遥控器接收机、其它传感器等模块。其中，电源模块把锂电池的电压转换至 5V 和 3.3V，以给传感器等模块供电；电机驱动信号接口输出 PWM 信号给电调，用以驱动无人机的 4 个电机。本文设计完成的飞控主板 PCB 以及实物分别如图 2-4a 和图 2-4b 所示。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V279;V249

【参考文献】

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本文编号：2625632