基于信息融合的四旋翼飞行器设计及实现

发布时间：2020-06-19 23:56

【摘要】：四旋翼飞行器作为当前一种新型无人机,具有体积小、灵活度高、结构简单、价格低廉等特点,在民用和军事领域有着广泛的应用前景,自问世以来,便引起了世人的广大兴趣。而作为一个受控对象,四旋翼飞行器是一种欠驱动、强耦合的复杂系统,具有较大的控制难度。本文针对四旋翼飞行器的结构特点,提出了一种设计方案,并通过计算机仿真和实际飞行试验验证该方案的有效性。本文的研究重点主要有:(1)四旋翼飞行器数学模型的建立。首先根据飞行器的飞行原理,选用地理坐标系和机体坐标系作为飞行器的参考坐标系,推导四元数法求取飞行器的欧拉角,最后根据空气动力学和刚体运动学推导出四旋翼飞行器的运动学方程和转矩平衡方程。(2)飞行器姿态的解算。针对目前旋翼飞行器在高机动和复杂飞行环境下测算的姿态相对误差较大的问题,提出了基于多传感器信息融合的飞行姿态解算。首先通过卡尔曼滤波算法对陀螺仪输出角速率进行噪声补偿,提高角速率输出精度,然后根据各传感器的噪声频率特性,将加速度计和磁强计所测量的角度信息与滤波之后的角速率进行互补融合求取四元数,通过四元数与姿态旋转矩阵的转换关系获取飞行器姿态信息,最后通过仿真和三轴转台实验证明飞行器姿态解算算法的有效性。(3)飞行器硬件的选择及设计。详细论述了飞行器各个组成硬件模块的设计思路。其中选用STM32F103C8T6作为飞行器的主控芯片,使用斩波电路对电源电压进行转换,为了降低飞行器的工作噪声和保证系统的使用寿命,使用永磁无刷直流电机作为飞行器的动力单元,并采用无位置传感器控制算法对电机进行驱动。(4)姿态、位置控制器的设计。在建立四旋翼飞行器数学模型的前提下,设计了姿态PID控制器,并在此控制器基础上,结合了模糊控制算法,使姿态控制器能够适应飞行器系统参数的变化,实现姿态控制器的自适应。设计了位置PD控制器,使飞行器能够跟踪设定航线。最后通过实际飞行实验验证控制器的正确性。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V279
【图文】：

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该款无人机仍然无法实现长时间飞行。956 年美国陆军作战部研制了一款 X4E，它的有效载重 200kg,并实现，但飞行性能依然不能达到美国军方要求。后数十年，旋翼飞行器一直没有取得重要突破。但近年来，随着微机术、飞行控制理论研究、全球定位系统、捷联惯性导航等技术不断行器又迎来了新的春天。随着全球科研单位对旋翼无人机研究的深成果不断涌现。国 AeroVironment 公司开发了一款名为“Black window”小型旋翼飞行量只有仅仅 50g，其中一半为电池的质量，飞行时间可达 20min，最为 100m，并能实时传输 1800m 外的画面回基站，还能够在恶劣天气飞行。夕法尼亚大学的 Yash Mulgaonkar 教授团队受蜜蜂的启发，开发一款器 Bee。该团队在该飞行器上安装一项避震结构，飞行器在与障碍物然能够正常飞行。这款飞行器并不需要添加复杂的避障系统，就能够杂飞行环境下正常工作，在救灾抢险中有着光明的应用前景[8]。

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图 1.2 Scamp 四旋翼省理工学院（MIT）开发了一套旋翼无人机的控制算法，可以实现飞行。这套算法采用分散控制策略，在出现单点故障的情况下，飞以实现正常的工作，故该系统具有很高的稳定性。由于每个飞行器外部整体的部分信息，所以只需相对较小的计算量，便能完成相当具有很好的拓展性。佛大学改进了四旋翼飞行器的机械结构和飞行控制算法，利用光流行器的自主避障，并成功开发了具备自主起飞、降落等功能的 OS4 该机型验证了模糊控制、神经网络控制、自适应控制和滑模控制等控制领域的适用性[10]。arrot 是一家法国老牌微型飞行器设计和制造商，目前开发了一款应的旋翼无人机 Bluegrass。这款无人机搭配了一枚高清摄像头和高，成像仪可以对人眼不可见的红外光进行成像，可用来估计农作植，评价病虫害对农作物造成的经济损失和预估作物的产量。Blueg高的续航能力，一次充电可连续飞行 35 分钟，能覆盖将近 10 亩的

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