四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究

发布时间：2017-04-17 11:24

  本文关键词：四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼无人飞行器具有垂直起降、定点悬停、机动灵活、带载能力强等独特优势,在军民领域都具有广泛的应用价值。四旋翼无人飞行器是一个非线性、欠驱动、耦合性强的不稳定系统,其飞行控制系统设计一直是研究的难点和热点。本文研究对象为火灾救援四旋翼飞行器,围绕其姿态估计、飞行控制进行了深入研究,针对火灾救援的实际应用需求,开展了四旋翼飞行器的设计与实现研究。首先根据四旋翼飞行器的结构特点和飞行原理,将飞行器六个自由度方向上的运动分为线运动和角运动。通过运动分析建立了飞行器系统动力学模型,并对飞行器的非线性、欠驱动、耦合特性进行了具体分析。四旋翼飞行器的控制系统由姿态测量系统、飞行控制系统组成。姿态测量系统实时采集传感器数据准确估算飞行器的姿态信息。飞行控制系统以控制指令和姿态反馈作为输入,通过姿态控制算法计算出各电机的控制量并发送到电机驱动系统,带动旋翼转动实现飞行的姿态调整。然后,根据系统总体设计方案,搭建了以MEMS传感器、高性能STM32处理器为核心的硬件系统,包括姿态采集、飞行控制、无线通信、避障等功能模块,编写了各个模块的驱动程序,进行大量实验及系统联调测试,最终实现了各功能模块稳定可靠运行,为姿态解算、数据融合、控制算法提供了基础。在姿态估计中,通过对姿态测量传感器模型误差的分析,拟合得到误差补偿方程,利用四元数法对校准后的数据进行姿态解算,然后设计了多传感器数据融合的卡尔曼滤波算法,对飞行器的姿态进行最优估计。在飞行控制中,基于四旋翼飞行器简化模型设计了串级PID控制器,针对飞行器的非线性特性设计了基于反步法的非线性控制器,通过MATLAB仿真对设计的控制算法进行了分析验证。最后,将算法移植到四旋翼飞行器硬件平台中,在实际环境中对飞行稳定性、避障功能进行测试,实验证明了所设计的四旋翼飞行器能够稳定控制飞行姿态,在复杂的环境中能够自动避开障碍物,满足火灾救援的功能要求。
【关键词】：四旋翼无人飞行器 控制系统 多传感器融合 串级PID控制 反步法
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249;V279
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 选题意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.3 本文主要研究内容及组织结构16-17
• 第2章 四旋翼飞行器姿态描述及建模17-26
• 2.1 四旋翼飞行器工作原理17-20
• 2.2 四旋翼飞行器模型建立20-25
• 2.2.1 坐标系定义20-21
• 2.2.2 转换矩阵21
• 2.2.3 飞行器动力学模型21-25
• 2.3 本章小结25-26
• 第3章 四旋翼飞行器姿态估计26-33
• 3.1 惯导器件误差模型26-27
• 3.2 基于四元数的姿态解算27-29
• 3.3 加速度计和磁力计得到的姿态角29-30
• 3.4 卡尔曼滤波算法30-32
• 3.5 本章小节32-33
• 第4章 四旋翼飞行器控制算法设计33-42
• 4.1 四旋翼飞行器控制系统分析33
• 4.2 串级PID姿态控制器设计33-35
• 4.3 反步法姿态控制器设计35-37
• 4.4 位置回路控制器设计37-38
• 4.5 仿真结果及分析38-41
• 4.6 本章小节41-42
• 第5章 四旋翼飞行器软硬件系统设计与实现42-57
• 5.1 四旋翼飞行器硬件系统设计与实现42-52
• 5.1.1 四旋翼飞行器硬件系统总体设计42-43
• 5.1.2 飞行控制系统硬件设计43-47
• 5.1.3 姿态测量系统硬件设计47-52
• 5.2 四旋翼飞行器软件系统设计52-56
• 5.2.1 系统软件总体设计52-54
• 5.2.2 姿态测量系统软件54
• 5.2.3 数据通信软件54-55
• 5.2.4 避障软件55-56
• 5.3 本章小结56-57
• 第6章 飞行试验57-69
• 6.1 无线通信模块测试57-59
• 6.1.1 空旷环境中通信质量测试58-59
• 6.1.2 复杂环境下通信质量测试59
• 6.2 姿态测量系统调试59-63
• 6.2.1 静置测试60-62
• 6.2.2 动态测试62-63
• 6.3 姿态位置控制器调试63-67
• 6.3.1 姿态控制器调试63-66
• 6.3.2 位置控制器调试66-67
• 6.4 避障功能调试67-68
• 6.5 本章小结68-69
• 总结与展望69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-76
• 作者简介76-77
• 攻读硕士期间发表的论文和参加科研情况77-78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

1 岳基隆;张庆杰;朱华勇;;微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J];电光与控制;2010年10期

2 李俊斌;胡永忠;;基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J];电子设计工程;2011年16期

3 王学斌;徐建宏;张章;;卡尔曼滤波器参数分析与应用方法研究[J];计算机应用与软件;2012年06期

4 白永强;刘昊;石宗英;钟宜生;;四旋翼无人直升机鲁棒飞行控制[J];机器人;2012年05期

5 陈彦民;何勇灵;孔令博;周岷峰;;四旋翼飞行器分散PID神经元网络控制[J];中国惯性技术学报;2014年02期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 李远;多UAV协同任务资源分配与编队轨迹优化方法研究[D];国防科学技术大学;2011年

2 谢道文;基于数据挖掘的火灾分析模型及应用研究[D];中南大学;2014年

  本文关键词：四旋翼无人飞行器控制系统设计与实现研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：313128