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基于ARM的八旋翼悬停技术研究

发布时间:2020-10-12 00:14
   近几年,随着微机械和微电子技术的发展,使得越来越多的学者或企业开始接触多旋翼无人机领域的研究。多旋翼无人机相比较传统的固定翼无人机而言,具有可垂直升降、悬停飞行、机身质量轻、体积小、造价低廉等优势而应用于军事和民用等相关领域。多旋翼无人机作业在一般出现在场景多变、地形复杂等条件不定的户外环境中,能否长时间悬停稳定飞行是多旋翼无人机非常重要参数指标。本文以八旋翼为研究对象,针对八旋翼悬停飞行问题进行了如下研究。首先从多旋翼结构和原理分析出发,针对八旋翼非线性、强耦合、欠驱动、多输入多输出的特性,对其动力学建模分析和公式推导建立理论上的数学模型,解耦出八旋翼多输入与多输出之间的数学表达式。并对八旋翼飞控系统涉及的滤波算法和姿态解算算法做了相关分析。传感器数据采集以及遥控数据接收过程中的数据涉及相关数字滤波处理。本文分析了卡尔曼滤波算法在姿态数据滤波中的优势并做出详细推导和仿真测试。通过分析推导四元数法在地理坐标系和机体坐标系之间的转换矩阵得出四元数表示姿态角的矩阵关系表达式。然后设计八旋翼飞控系统硬件方案,包括中央控制单元、导航系统单元、电源管理单元、电机驱动单元、指令接收单元以及数据交互单元,并详细分析各单元模块硬件电路设计。通过PCB设计、打样、焊接以及调试四个阶段完成飞控系统硬件设计。控制算法是飞行控制和悬停研究的关键,通过对传统PID控制算法、双闭环串级PID控制算法以及RBF神经网络算法展开分析研究,并结合八旋翼数学模型,使用MATLAB工具对RBF神经网络PID控制算法仿真分析,控制效果非常理想,但由于硬件限制原因最终选用双闭环串级PID控制算法为飞控系统核心控制算法。接着设计上位机整体方案结构,按模块化编程思想将上位机软件划分为若干功能模块,详细分析数据通信协议并解析协议帧数据内容。使用C#编程语言完成各功能模块编码与调试工作。最后对八旋翼软硬件系统进行平台调试与户外飞行实验测试。结合上位机软件和调试平台完成八旋翼地面调试工作;户外实验测试主要测试其户外低空悬停、高空悬停、一键起飞降落悬停性能。实验测试表明本设计达到预期要求,完成了八旋翼悬停技术研究。
【学位单位】:南昌航空大学
【学位级别】:硕士
【学位年份】:2018
【中图分类】:V275.1
【部分图文】:

无人机,抗震救灾


其类型主要分为两大类:固定翼无人机和旋翼无人机离巡航,飞行速度快等特点用于军事侦查巡逻等领域活,需要固定的弹射装置,只能在特定的条件和环境使用领域[5-8]。旋翼无人机具有可垂直升降起飞、小范事和民用上都有其身影出现[9]。军事上表现在信息侦域,在人员不能够及时或者不适合人员出现的场景中[无人机在云南鲁甸地震中多旋翼无人机。近些年来,的群体出现,在民用上也带动了旋翼无人机的发展,民用无人机爱好者带来了众多型号无人机产品,其主 1-2 所示为大疆精灵 3 无人机航拍过程。除了业余爱好无人机运输快递物件。顺风物流快递公司就公开试验事件,如图 1-3 所示。虽然无人机在这些方面应用不是流公司都在投入大量时间和精力在研究无人机,说明景的朝阳行业[13-16]。

无人机,旋翼


图 1-2 大疆四旋翼无人机 图 1-3 无人机送快递随着无人机领域的逐渐兴起,无人机相关性能的要求也是客户关注的重点。包括无人机续航能力、飞行稳定性、操控性能等各种要求。由于多旋翼无人机各方面性能要求繁多,不能全面进行研究,因此本课题主要针对八旋翼无人机飞行稳定性(悬停飞行控制)展开一系列研究。1.2 多旋翼的国内外研究现状早在 20 世纪初期,就有相关学者开始对多旋翼无人机有相关研究,法国的一些科学家和 Charles Richet 院士研究一种小型无人直升机,虽然最终该试验以失败告终,但是却让 Charles Richet 院士的学生 Louis Bréguet 产生了设计四旋翼无人机的想法。1907 年,Bréguet 和他的兄弟设计了世界上第一个四旋翼飞行器,该四旋翼飞行器能够载人飞行,体积非常大,旋翼直径达 8.1 米,载人飞行时的质量达578 千克。该飞行器在法国首飞时飞行高度只能达 1.5 米,而且只能通过控制油门

无人机,旋翼


图 1-2 大疆四旋翼无人机 图 1-3 无人机送快递随着无人机领域的逐渐兴起,无人机相关性能的要求也是客户关注的重点。包括无人机续航能力、飞行稳定性、操控性能等各种要求。由于多旋翼无人机各方面性能要求繁多,不能全面进行研究,因此本课题主要针对八旋翼无人机飞行稳定性(悬停飞行控制)展开一系列研究。1.2 多旋翼的国内外研究现状早在 20 世纪初期,就有相关学者开始对多旋翼无人机有相关研究,法国的一些科学家和 Charles Richet 院士研究一种小型无人直升机,虽然最终该试验以失败告终,但是却让 Charles Richet 院士的学生 Louis Bréguet 产生了设计四旋翼无人机的想法。1907 年,Bréguet 和他的兄弟设计了世界上第一个四旋翼飞行器,该四旋翼飞行器能够载人飞行,体积非常大,旋翼直径达 8.1 米,载人飞行时的质量达578 千克。该飞行器在法国首飞时飞行高度只能达 1.5 米,而且只能通过控制油门
【参考文献】

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本文编号:2837334

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