四旋翼无人机自主飞行控制系统设计与开发

发布时间：2017-04-15 15:01

  本文关键词：四旋翼无人机自主飞行控制系统设计与开发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼无人机(Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle, QUAV)是一种常见的旋翼飞行器,被广泛应用于军事侦察、实时监控和灾区救援等领域。为了进一步提高QUAV适应复杂环境和执行多样任务的能力,其关键在于具备自主控制能力。然而QUAV是一个四输入六输出的欠驱动系统,具有多变量、非线性和强耦合特性,因此自主控制系统的设计与开发成为技术难点。针对该问题本文重点对QUAV的飞行姿态和运动轨迹自主控制问题进行研究,采用STM32微处理器设计与开发了QUAV的自主控制系统,实现了其在室内或无卫星定位下的自主飞行。 具体研究成果如下： (1)针对QUAV在室内飞行的空间定位问题,提出了一种基于视觉导航的空间位置估计算法,在给定的轨迹标识下,完成了对该标识的识别与跟踪。该算法利用机载摄像头采集给定的标识图像信息,通过视频特征提取算法完成给定标识的左右边沿控制线的特征提取,并计算标识中心线位置,通过判断中心线在图像中的位置估计出QUAV在实际环境中相对于给定标识的相对位置,从而完成了QUAV的飞行轨迹的空间定位。 (2)针对QUAV飞行姿态稳定控制问题,本文利用多传感器(主要包括：陀螺仪、加速度计和磁力计等)获得QUAV的实时姿态数据,通过互补滤波融合算法对获得的多传感器数据进行姿态融合,以降低稳态控制误差,提高了QUAV的姿态稳定控制能力。 (3)对QUAV的自主控制系统软件和硬件进行设计与开发,实现了QUAV的寻迹自主飞行。
【关键词】：四旋翼无人机 轨迹信息识别 自主稳定控制 系统软硬件设计
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 课题来源9
• 1.2 论文研究背景、目的和意义9-10
• 1.3 室内自主飞行技术的国内外研究现状10-12
• 1.4 主要研究内容12-13
• 1.4.1 跑道轨迹的识别与跟踪13
• 1.4.2 飞行姿态数据融合解算13
• 1.4.3 自主控制系统设计13
• 1.5 论文组织结构13-15
• 2 四旋翼的飞行原理与数学建模15-19
• 2.1 四旋翼的飞行原理15-16
• 2.2 四旋翼的数学模型建立16-18
• 2.3 本章小结18-19
• 3 四旋翼的飞行控制系统设计19-30
• 3.1 飞行控制系统总体设计19-20
• 3.2 位置控制回路设计20-27
• 3.2.1 位置解算21-26
• 3.2.2 位置控制26-27
• 3.3 姿态控制回路设计27-29
• 3.3.1 姿态解算27-28
• 3.3.2 姿态控制28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 4 四旋翼的硬件系统设计与实现30-42
• 4.1 硬件系统总体设计30-31
• 4.2 航姿测量系统硬件设计31-38
• 4.2.1 航姿测量系统总体设计和器件选型31-32
• 4.2.2 主处理器电路设计32-34
• 4.2.3 摄像头模块电路设计34-35
• 4.2.4 姿态采集与高度测距模块电路设计35-36
• 4.2.5 无线通信模块电路设计36-37
• 4.2.6 SDIO接口设计37-38
• 4.2.7 电源模块电路设计38
• 4.3 飞行控制系统硬件设计38-41
• 4.3.1 驱动电路设计39-40
• 4.3.2 A/D采样电路设计40-41
• 4.3.3 E2PROM硬件电路设计41
• 4.4 动力系统41
• 4.5 本章总结41-42
• 5 四旋翼无人机软件系统设计与实现42-48
• 5.1 软件系统总体设计42
• 5.2 系统底层驱动程序设计42-43
• 5.3 μC/OS-Ⅲ实时操作系统移植43-45
• 5.3.1 μC/OS-Ⅲ系统任务建立44
• 5.3.2 中断服务程序44-45
• 5.4 航姿测量系统程序设计45-46
• 5.5 飞行控制系统程序设计46-47
• 5.6 本章小结47-48
• 6 四旋翼无人机系统调试与实现48-54
• 6.1 飞行平台的搭建48
• 6.2 系统硬件测试48-49
• 6.3 系统软件测试49-52
• 6.3.1 跑道轨迹特征提取调试49
• 6.3.2 气压计测距调试49-50
• 6.3.3 姿态测量系统调试50-51
• 6.3.4 飞行控制系统调试51-52
• 6.4 飞行测试52-53
• 6.5 本章总结53-54
• 总结与展望54-55
• 参考文献55-57
• 攻读硕士学位期间的研究成果及参与的科研项目57-58
• 致谢58

【参考文献】

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本文编号：308623