基于MEMS传感器的微小型无人机测控系统关键技术研究

发布时间：2017-04-09 21:09

  本文关键词：基于MEMS传感器的微小型无人机测控系统关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在军事和民用领域，微小型无人机发挥的作用越来越显著。飞行测控系统作为无人机系统的核心部件，对它的研究有重要现实意义。 本文以工程实际中的微小型航拍固定翼无人机为应用平台，在总结借鉴国内外微小型无人机飞行控制系统设计思路，利用MEMS传感器，建立了低成本飞行控制系统，并对测控系统的关键技术做了研究。 首先，根据系统应用需求，按照飞行控制系统总体架构，对硬件系统进行模块划分和详细设计。无人机测控系统STM32F4系列微控制器为主控芯片，集成了传感器模块、GPS模块、舵机信号输入与输出驱动模块、电源管理模块以及扩展接口部分，保证了硬件系统良好扩展性。 其次，对采用MEMS传感器的姿态解算算法进行了研究。针对航拍型小型无人机的飞行特点，本文设计了基于误差四元数的姿态卡尔曼滤波算法。在机体不同机动情况下，采用不同的数据融合方式，对无人机姿态进行解算。该方法对机动较小的航拍型无人机有较好的应用效果。 在测控系统的软件中，采用分层模块化的设计思想，合理设计飞行测控系统的软件架构。针对微小型无人机的飞行动力学特性，对无人机纵向、横侧向控制回路控制律进行研究与设计。 最后，，对设计的飞行测控系统进行了地面与搭载测试，实验数据结果验证了飞行控制系统软硬件主要模块的功能正确性、可行性。
【关键词】：无人机 飞行控制 MEMS传感器 四元数 卡尔曼滤波器
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景与意义9-11
• 1.2 国内外研究现状与发展动态11-15
• 1.3 课题研究内容及文章安排15-17
• 第二章 飞行测控系统的硬件设计17-42
• 2.1 主控模块设计19-27
• 2.1.1 主处理器芯片选型20-21
• 2.1.2 主控模块硬件电路的设计21-27
• 2.2 传感器模块设计27-33
• 2.2.1 陀螺仪传感器的选型与电路设计27-29
• 2.2.2 气压高度传感器的选型与电路设计29-31
• 2.2.3 磁强计传感器的选型与电路设计31-32
• 2.2.4 加速度计传感器的选型电路设计32-33
• 2.3 存储模块设计33-35
• 2.4 GPS 模块设计35-36
• 2.5 舵机信号输入与输出驱动接口设计36-38
• 2.6 电源设计38-40
• 2.7 其他接口部分40-41
• 2.8 本章小结41-42
• 第三章 MEMS 传感器的姿态解算算法研究42-65
• 3.1 姿态解算算法42-51
• 3.1.1 坐标变换的表示方式42-46
• 3.1.2 常用的姿态解算算法46-48
• 3.1.3 基于陀螺仪数据的姿态解算48
• 3.1.4 基于加速度计和磁强计的姿态解算48-51
• 3.2 姿态解算滤波算法的研究51-55
• 3.2.1 Kalman 滤波器介绍52-54
• 3.2.2 扩展卡尔曼滤波器与姿态解算54-55
• 3.3 卡尔曼滤波方程的建立55-64
• 3.4 本章小结64-65
• 第四章 飞控软件设计与控制算法的研究65-78
• 4.1 飞控软件的模块化分层设计67-71
• 4.2 控制算法的设计71-77
• 4.2.1 纵向控制律的设计73-75
• 4.2.2 横侧向控制律设计75-77
• 4.3 本章小结77-78
• 第五章 系统测试与搭载飞行试验78-87
• 5.1 静态测试78-83
• 5.2 试飞搭载测试83-86
• 5.3 本章小结86-87
• 第六章 总结与展望87-89
• 6.1 工作总结87
• 6.2 工作展望87-89
• 参考文献89-93
• 攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果93-94
• 致谢94-95

【参考文献】

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本文编号：296115