微小型球形飞行器的研究与设计

发布时间：2017-04-01 13:08

  本文关键词：微小型球形飞行器的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微小型飞行器因其体积小、重量轻、结构紧凑、便于携带，且飞行姿态灵活、航线轨迹可控，在军用或民用领域具有良好的发展前途、广阔的应用前景，在学术上也具有重要的研究意义。但是，当遇到空域狭小、障碍众多、环境复杂等情况时，微小型飞行器就可能因发生碰撞而致坠落的风险大幅提高，所以微小型飞行器的飞行安全问题面临严峻挑战。从本质来看，微小型飞行器的安全飞行性能好坏在一定程度上取决于其结构设计理念与飞行控制技术，本文结合微小型飞行器的研究背景及意义，国内外研究现状及分析，针对微小型飞行器面临的上述严峻挑战，设计、研制出一款具有防撞避碰功能的微小型球形飞行器。 首先，本文根据课题技术要求和性能指标，通过对飞行方式、气动布局形式不同方案的对比、分析，完成了“共轴双旋翼、四控制舵面”微小型球形飞行器的总体方案设计，并阐明了其结构特点、飞行方式和工作原理。然后，结合微小型球形飞行器的结构特点、工作原理以及功能需要，对其飞行控制系统的硬件进行设计，制订了硬件设计总体方案，完成了基于双STM32的飞行控制器硬件电路设计和直流无刷电机电子调速器硬件电路设计；在基于双STM32的飞行控制器硬件电路设计中，主要工作包括：控制芯片选型与设计，电源电路设计，遥控接收机接口电路设计，GPS接口电路设计，MS5611接口电路设计，超声波传感器接口电路设计，MPU6050+HMC5883接口电路设计，电调、舵机接口电路设计，SD卡接口电路设计等；在直流无刷电机电子调速器硬件电路设计中，主要工作包括：总体设计方案制定，控制芯片选型，电源电路设计，电机驱动电路设计，相电压检测电路设计等。进而，本文又对飞行控制系统的软件体系进行了设计，制订了软件总体流程，完成了飞行控制系统软件模块化设计，主要工作包括：系统初始化、姿态解算、姿态信息存储、飞行控制指令获取、飞行控制指令传输、中断优先级设置、PWM输出、姿态控制等。最后，本文在结构设计、飞行控制系统软硬件设计工作的基础上，研制出该微小型球形飞行器的物理样机，设计并完成了基于MPU6050姿态测量模块的两轴转台实验、基于MS5611模块的测试实验、超声波传感器测试实验、飞行器调试实验（俯仰、滚转、偏航通道控制实验）、室外飞行试验以及直流无刷电机速度闭环控制实验等。 基于MPU6050姿态测量模块的两轴转台实验结果表明：MPU6050DMP姿态解算静态精度高，动态特性好，能够在微小型球形飞行器的实际飞行过程中为其提供姿态参考信息；MS5611模块与超声波传感器测试实验的结果表明：MS5611和超声波传感器能够稳定、有效地开展工作，且实际工作性能良好；通过飞行器调试实验（俯仰、滚转、偏航通道控制实验），确定了微小型球形飞行器俯仰、滚转、偏航通道理想的PID控制参数；室外飞行试验结果表明，该微小型球形飞行器能够很好的完成垂直起降、空中悬浮等飞行动作，，且在飞行过程中姿态灵活、控制可靠、飞行稳定。本文的研究成果表明，微小型球形飞行器设计方案可行，整体结构合理，控制系统可靠、飞行性能良好，达到了微小型球形飞行器设计的预期效果，本文所得结论和成果可为相关飞行器的设计与研究提供借鉴与参考。
【关键词】：微小型球形飞行器 共轴双旋翼 四控制舵面 结构设计 气动布局 飞行控制系统
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1;V221
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 国内外研究现状13-20
• 1.2.1 国外研究现状13-18
• 1.2.2 国内研究现状18-19
• 1.2.3 国内外研究现状分析19-20
• 1.3 本文主要研究内容及结构安排20-21
• 第2章 微小型球形飞行器总体方案设计21-30
• 2.1 概述21-22
• 2.2 微小型球形飞行器总体方案设计22-28
• 2.2.1 技术要求及性能指标22
• 2.2.2 飞行器类型选择22-23
• 2.2.3 气动布局安排与机体结构设计23-28
• 2.2.4 飞行控制系统设计28
• 2.3 本章小结28-30
• 第3章 微小型球形飞行器飞行控制系统硬件设计30-44
• 3.1 飞行控制系统硬件设计总体方案30-31
• 3.2 基于双 STM32 的飞行控制器硬件电路设计31-40
• 3.2.1 飞行控制器控制芯片选型与设计31-32
• 3.2.2 程序下载接口设计32-33
• 3.2.3 电源电路设计33
• 3.2.4 输入接口电路设计33-38
• 3.2.5 输出接口电路设计38-40
• 3.3 直流无刷电机电子调速器设计40-43
• 3.3.1 总体设计方案40
• 3.3.2 控制芯片选型40-41
• 3.3.3 电源电路设计41
• 3.3.4 电机驱动电路设计41-42
• 3.3.5 相电压检测电路设计42-43
• 3.4 本章小结43-44
• 第4章 微小型球形飞行器飞行控制系统软件设计44-55
• 4.1 软件设计开发环境简介44-45
• 4.2 飞行控制系统软件总体流程45-46
• 4.3 飞行控制系统软件模块化设计46-54
• 4.3.1 系统初始化46
• 4.3.2 姿态解算46-48
• 4.3.3 姿态信息存储48-50
• 4.3.4 飞行控制指令获取50-51
• 4.3.5 飞行控制指令传输51-52
• 4.3.6 中断优先级设置52-53
• 4.3.7 PWM 输出53-54
• 4.3.8 姿态控制54
• 4.4 本章小结54-55
• 第5章 实（试）验与分析55-66
• 5.1 MPU6050 姿态测量模块两轴转台实验55-57
• 5.2 MS5611 模块测试实验57-58
• 5.3 超声波传感器测试实验58-59
• 5.4 飞行器调试实验59-63
• 5.4.1 俯仰（滚转）通道控制实验59-61
• 5.4.2 偏航通道控制实验61-63
• 5.5 室外飞行试验63-64
• 5.6 直流无刷电机速度闭环控制实验64-65
• 5.6.1 实验目的64-65
• 5.6.2 实验步骤65
• 5.6.3 实验数据分析65
• 5.7 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-71
• 附录71-77
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单77-78
• 致谢78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：280667