扑翼飞行器半自主导航系统的设计与实现

发布时间：2020-08-12 03:28

【摘要】：扑翼飞行器是一种仿生类飞行机器人,具有体积大、质量轻、功耗低、飞行效率高、抗干扰性强等特点,同时还具有良好的灵活性和飞行机动性,在军事领域、民用领域和其他科技领域都具有广阔的发展前景。因此,对扑翼飞行器的飞行设计及相关理论开展研究具有重要意义。本文在已经完成制作好的扑翼飞行器的基础上,开展相应的导航控制实验研究,设计一套半自主循迹飞行控制算法并研制嵌入式飞行控制器,并进行了相应的仿真和实验,主要内容如下:(1)深入分析扑翼飞行器的结构特点并对比鸟类飞行原理,基于创建的扑翼飞行器的坐标系系统,建立扑翼飞行器动力学模型并分析推导其运动学方程;进行仿真分析,得出飞行参数规律;进行整机动力学分析,分析翅翼和尾翼产生的力矩对飞行控制的影响。(2)基于PID控制原理对扑翼飞行器半自主导航控制算法进行设计,分为直飞定高控制律、协调拐弯控制律、航向控制律和半自主循迹飞行控制律,并进行Matlab-Simulink仿真实验,最后对控制算法的合理性和准确性进行验证。(3)为了实现扑翼飞行器的半自主循迹飞行,搭建扑翼飞行器的STM32嵌入式控制器硬件平台,基于功能分析设计总体框架,制定通讯方式,选取硬件平台的微控制器和传感器,微控制器选取为STM32F103RCT6,外设传感器包括十轴传感器和GPS加北斗双模定位模块,其中十轴传感器高度集成了加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计,可采集到三轴欧拉角包括俯仰角、偏航角、滚转角和高度,GPS定位模块可采集经纬度等位置信息,驱动模块包括电机驱动器、无刷电机和舵机,供电模块包括单片机和电机供电电池。(4)进行了嵌入式的软件设计,设计了程序流程图,进行硬件和外设初始化,传感器采集数据并进行数据处理,进行PID控制解算和更新PWM占空比控制量。最后进行了样机集成和控制器安装方式以及传感器坐标位置的设计,对传感器采集数据进行测试实验,进行室外试飞试验,从直飞、拐弯到最后的循迹飞行都给予了改进和优化,最终实现半自主定点循迹导航飞行。图64幅,表7个,参考文献64篇。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V276;V249.32
【图文】：

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固定翼飞机的技术日趋成熟，扑翼飞行器也迅速发展起来鸟类的高灵活性、高机动性、隐蔽性好的飞行器的飞行机理和空气动杂，其发展还处于初级阶段，但是扑翼飞行器被公认是最有效、最灵式，更重要的是，可以在科技领域上起着强有力的支撑作用，因此研器是我们为国家科技事业做出的应有的责任。逡逑研究目的及意义逡逑翼飞行器是根据仿鸟学原理设计的飞行器，其设计研宄过程跨学科、有重要的研究意义和应用价值。研究这些问题不仅可以解决扑翼飞行的问题，还能推进扑翼飞行器结构、空气动力学等相关领域的技术研生学、电子控制、自主导航和无线通信技术等，而且在未来，扑翼飞侦察机进而变成家家都可以拥有的一架飞行器，这样对社会的经济效升，所以研宄新技术为开发出有更多功能，更高效率，更亲民实用的［４］。逡逑

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成了控制器，通过无线通信模块与地面上位机进行通信，实现对扑翼飞行器的实逡逑时控制ｔ１１］。逡逑洛桑联邦理工学院研制了一套扑翼飞行器嵌入式飞控系统［１＇如图１－３所示，逡逑包含６４邋ＫＢ微处理器、陀螺仪、摄像头、无线通信等外设传感器，陀螺仪可控制逡逑方向，控制的偏航角旋转速度最大为１００邋°邋／ｓ，由于没有测量距离的传感器，只能逡逑在室内试飞实验中表现良好［１３］。逡逑ｚ乃逡逑（ｈｌ＼邋／邋／逡逑Ａｙ邋＇逦⑷逡逑图１－３洛桑联邦理工学院的扑翼飞行器逡逑Ｆｉｇｌ－３邋Ｍｉｃｒｏ邋ａｉｒ邋ｖｅｈｉｃｌｅ邋ｏｆ邋ＥＰＦＬ逡逑ＭＬＢ公司研制了一套导航控制系统，包括微处理器、惯性传感器、压力传感逡逑器和ＧＰＳ接收机，可实现定高和航向控制但目前并不能用于扑翼飞行器上。逡逑４逡逑

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图１－２加州大学伯克利分校的Ｈ２ｂｉｒｄ逡逑Ｆｉｇ邋１－２邋Ｈ２ｂｉｒｄ邋ｏｆ邋Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ邋ｏｆ邋Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｂｅｒｋｅｌｅｙ逡逑ｒｕｎｓｗｉｃｋ理工大学对其扑翼飞行器设计了一套惯性导航系统（Ｉ加速度传感器组成，并计划集成ＧＰＳ，设计了飞行控制导航，通过无线通信模块与地面上位机进行通信，实现对扑翼飞邦理工学院研制了一套扑翼飞行器嵌入式飞控系统［１＇如图１Ｂ微处理器、陀螺仪、摄像头、无线通信等外设传感器，陀螺的偏航角旋转速度最大为１００邋°邋／ｓ，由于没有测量距离的传感实验中表现良好［１３］。逡逑

【参考文献】