小型四旋翼低空无人飞行器综合设计

发布时间：2017-04-06 06:10

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【摘要】：四旋翼无人飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器,因其起飞降落所依赖空间小,及姿态保持能力强等优点,在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景。 本课题来源于温州市科技计划项目,意在研制出一架小型四旋翼低空无人飞行器样机。课题主要通过利用PID控制方法及无刷直流电机驱动技术,初步研究和设计四旋翼无人飞行器的整体结构与飞行控制系统,并在此基础之上,搭载通信模块,研制出的样机不仅能实现四旋翼飞行器的各种飞行动作,还可进行简单的实时视频监控。 本文首先分析四旋翼飞行器的结构特点及工作原理,并结合相关飞行参数,对飞行器样机进行数学建模,构造了飞行器姿态运动及位置运动共六个通道的传递函数,并引入四个控制量,将模型分解成独立的控制通道。采用PID控制方法,对飞行器悬停状态下姿态和位置控制律,进行仿真,验证控制方案的可行性。 进而对样机进行整体设计,包括机身总体设计、能源与动力装置设计及起落架设计。为确定升力装置的选型,设计了旋翼拉力测试平台,通过多次试验,得出电机／旋翼的最佳工作区间。重点设计飞行器的硬件电路部分,包括飞行控制器、电机调速模块、RS232通信模块和视频监控模块；飞行控制器基于ATmega644的微处理器,融合了三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压高度计,用来获取飞行器的航姿信息,并进行实时解算；视频监控模块采用机载无线图传的方式,地面接收设备实时显示其监控画面。 本文软件分为算法实现及上位机界面部分。算法采用C语言进行编写,实现PID控制功能、PWM电机调速及传感器数据校正；上位机软件通过串口对飞行器各参数进行设置,模拟飞行器当前的三维状态,并可实现简单的航点设置。
【关键词】：四旋翼 无人飞行器 飞行控制器 PID控制 PWM电机调速
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V279
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目录9-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 本文的主要内容15-17
• 第2章 四旋翼无人飞行器总体设计17-25
• 2.1 设计目标17
• 2.2 系统总体结构17-18
• 2.3 任务分解18-25
• 2.3.1 机体设计18-22
• 2.3.2 建立数学模型22-23
• 2.3.3 飞行控制器设计23
• 2.3.4 导航与通信系统设计23-25
• 第3章 四旋翼无人飞行器工作原理及建模25-39
• 3.1 工作原理25-27
• 3.2 数学模型27-34
• 3.2.1 坐标系选择及转换28-31
• 3.2.2 动力学方程的建立31-34
• 3.3 PID控制方法34-39
• 3.3.1 控制律34
• 3.3.2 仿真结果与分析34-39
• 第4章 硬件电路设计39-55
• 4.139-42
• 4.1.1 主控制器39
• 4.1.2 主控芯片39-41
• 4.1.3 供电电路41-42
• 4.2 RS232-USB通信接口42-43
• 4.3 电机控制模块43-48
• 4.3.1 反电势过零检测电路44-45
• 4.3.2 三相全桥驱动电路45-46
• 4.3.3 电流电压检测电路46-47
• 4.3.4 电机隔离电路47-48
• 4.4 传感器模块48-52
• 4.4.1 AHRS模块48-50
• 4.4.2 高度传感器50-51
• 4.4.3 导航与通信模块51-52
• 4.5 硬件制作52-55
• 第5章 系统软件设计55-71
• 5.1 导航算法55-57
• 5.1.1 电子罗盘工作原理55-56
• 5.1.2 导航计算56-57
• 5.2 电机调速系统程序设计57-60
• 5.2.1 电机启动程序设计58
• 5.2.2 电机控制程序设计58-60
• 5.2.3 电机保护程序设计60
• 5.3 航姿数据处理程序设计60-66
• 5.3.1 数据采集60-62
• 5.3.2 数据融合62-66
• 5.4 上位机软件设计66-71
• 5.4.1 C#开发工具介绍66-67
• 5.4.2 界面设计67-71
• 第6章 系统测试与分析71-77
• 6.1 飞行器实验样机71
• 6.2 参数微调及飞行测试71-74
• 6.2.1 参数微调71-72
• 6.2.2 飞行测试72-73
• 6.2.3 机载相机测试73-74
• 6.3 自主飞行测试74-76
• 6.4 本章小结76-77
• 第7章 总结与展望77-79
• 7.1 论文总结77-78
• 7.2 展望78-79
• 参考文献79-83
• 科研成果83-84
• 附录84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：288384