四轴飞行器飞控系统的设计和研究

发布时间：2020-10-24 12:58

　　 四轴飞行器是一种结构紧凑,便于控制的新型飞行器。它稳定性好,造价低,控制灵活,不易于发生故障,能够垂直起降,对起飞和降落要求的环境低,目前已应用于植保,军事侦察,航拍摄影等领域,具有非常广阔的发展前景,且四轴飞行器涉及众多技术,具有很大的研究意义。本文首先介绍了四轴飞行器的研究背景,国内外的研究现状和意义,再讲解了四轴飞行器的结构组成和基本原理,介绍了姿态角的定义和常见的几种姿态解算算法,并对四轴飞行器所采用的PID算法进行了介绍。然后再针对四轴飞行器的原理构造设计了以STM32F407VG为主控芯片,外接MPU6050陀螺仪,MS5611气压计,HMC5883地磁场计等传感器的飞控板。主控程序运行uc/os-II嵌入式实时操作系统,传感器任务不断采集飞机的姿态角并进行滤波处理,姿态解算任务获取传感器传递的姿态角使用四元数进行姿态解算求出四轴飞行器的欧拉角,控制器任务通过遥控器传递的控制信息和欧拉角经过双闭环PID运算得到各个姿态角的控制量,再将对应的控制量输出到各个电机控制四轴飞行器的飞行,最后再进行了四轴飞行器样机的制作和PID参数的调试,通过四轴飞行器的试飞实验验证了本四轴飞行器硬件设计和软件设计的合理性。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V249.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究背景
        1.1.1 课题来源
        1.1.2 课题研究背景
        1.1.3 四轴飞行器介绍
        1.1.4 发展前景及研究意义
    1.2 国内外研究历史和现状
        1.2.1 四轴飞行器的发展历史
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 本文主要研究内容
    1.4 本章小结
第2章 四轴飞行器的工作原理
    2.1 四轴飞行器的结构组成
    2.2 四轴飞行器的飞行原理
    2.3 四轴飞行器姿态的表示
    2.4 飞行器的姿态解算
    2.5 PID控制器的简介
    2.6 本章小结
第3章 四轴飞行器硬件电路设计
    3.1 引言
    3.2 飞控主要电子元器件的选型
        3.2.1 主控芯片的选型
        3.2.2 陀螺仪和加速度计的选型
        3.2.3 磁力计的选型
        3.2.4 气压计的选型
    3.3 四轴飞行器飞控硬件的设计
        3.3.1 四轴飞行器飞控的框架
        3.3.2 主控模块
        3.3.3 电源管理模块
        3.3.4 系统功能模块电路
        3.3.5 监控保护模块电路
        3.3.6 MPU6050模块
        3.3.7 HMC5883L模块
        3.3.8 MS5611模块
        3.3.9 外部接口模块
        3.3.10 PWM输入输出模块
    3.4 主控电路板的PCB设计
        3.4.1 飞控PCB板的元器件的布局
        3.4.2 飞控PCB板的布线
    3.5 本章小结
第4章 四轴飞行器控制软件的设计
    4.1 引言
    4.2 软件系统总体规划
        4.2.1 μC/OS-II系统
        4.2.2 软件系统构架
    4.3 上位机通信程序
    4.4 遥控器接收机信号处理程序
    4.5 传感器数据读取程序
        4.5.1 MPU6050数据读取
        4.5.2 气压计数据读取
        4.5.3 磁力计数据读取
    4.6 存储程序
    4.7 四元数姿态融合任务
    4.8 高度数据的融合
        4.8.1 基于互补滤波高度融合
    4.9 四轴飞行器控制电机输出程序设计
        4.9.1 定高模式下油门的调节
        4.9.2 电机控制量的计算
    4.10 上位机调试软件
    4.11 本章小结
第5章 样机制作与调试
    5.1 引言
    5.2 材料选型
    5.3 四轴飞行器的PID参数调试
        5.3.1 PID控制中PID参数的作用
        5.3.2 PID参数的调试的模型建立
    5.4 四轴飞行器飞行实验与性能测试
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 本文总结
    6.2 研究展望
致谢
参考文献
攻读学位期间的研究成果

【参考文献】

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本文编号：2854496