系留多旋翼飞行器控制系统的应用研究
发布时间：2021-05-19 18:12
多旋翼飞行器的机动性强、操作简单,能完成多种特殊飞行任务,被逐渐应用到各个领域中,但其续航时间较短受到了一定的限制。系留浮空器依靠自身囊内气体提供的升力结合系留缆绳的拉力停泊在目标高度范围内进行工作,并通过系留线缆传输电能和信息,能够长时间进行工作,但其机动性较差、抗风能力不强。针对上述二者的优缺点,本文设计出的系留多旋翼飞行器系统,具有操作简单、机动性强、长航时飞行、负载能力强的优点。系留多旋翼飞行器与普通多旋翼飞行器的主要不同之处为机身下方挂载了系留线缆,这对姿态角的解算精度及控制算法要求更高,且目前国内对该方面的研究较少,以此为切入点,本文创新点如下:1、采用扩展卡尔曼滤波高精度融合姿态解算算法对飞行器姿态实时解算,解算出的角度误差范围在0.2度以内。2、设计了系留多旋翼飞行器供电系统,通过实验验证,其效果良好,使得飞行器能够长航时飞行。本文着重对系留多旋翼飞行器系统及飞行控制系统进行了研究与设计。首先,分析了系留六旋翼飞行器的飞行原理,并在此基础上建立了数学模型。其次,对系统进行了软硬件设计。硬件方面,对飞行器整机结构设计及供电系统进行了介绍,同时介绍了飞行控制器的各个模块设计...
【文章来源】：安徽工业大学安徽省
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 多旋翼飞行器国内外研究现状
1.2.2 系留多旋翼飞行器国内外研究现状
1.3 本文的主要研究内容及结构
第二章 系留六旋翼飞行器飞行原理及数学建模
2.1 坐标系变换
2.2 六旋翼飞行器飞行原理
2.3 六旋翼飞行器动力学模型
2.4 系留六旋翼飞行器数学模型
2.4.1 系留线缆分析
2.4.2 系留六旋翼飞行器动力学模型
2.5 本章小结
第三章 系统总体设计
3.1 系留六旋翼飞行器系统总体结构设计
3.2 飞行控制系统硬件结构
3.3 飞行控制系统软件框架
3.4 系统设计的主要任务
3.4.1 实现飞行器的长航时飞行
3.4.2 实现姿态角的高精度解算
3.4.3 飞行控制算法设计
3.5 本章小结
第四章 系统硬件设计
4.1 飞行控制器
4.1.1 主控制器
4.1.2 IMU惯性传感器模块
4.1.3 磁力计模块
4.1.4 高度测量模块
4.1.5 数据存储模块
4.1.6 无线数据传输模块
4.1.7 GPS定位模块
4.1.8 遥控装置
4.1.9 电源管理模块
4.2 六旋翼飞行器设计
4.3 供电系统
4.3.1 系泊单元
4.3.2 系留线缆
4.3.3 升空平台
4.4 本章小结
第五章 系统软件设计
5.1 传感器数据获取
5.1.1 IIC通信
5.1.2 加速度计及陀螺仪数据获取
5.1.3 磁力计数据获取
5.1.4 气压计数据获取
5.2 传感器数据滤波
5.2.1 加速度计数据滤波
5.2.2 陀螺仪数据滤波
5.2.3 磁力计数据滤波
5.2.4 气压计数据滤波
5.3 传感器数据校正
5.3.1 加速度计数据校正
5.3.2 陀螺仪数据校正
5.3.3 磁力计数据校正
5.4 姿态解算算法
5.4.1 姿态角的四元数法表示
5.4.2 互补滤波算法
5.4.3 扩展卡尔曼滤波算法
5.5 控制算法研究及仿真
5.5.1 串级PID控制
5.5.2 模糊自适应控制算法
5.5.3 定点悬停控制
5.6 地面站通讯
5.7 本章小结
第六章 系统测试与实验
6.1 系统测试平台
6.2 姿态角精度测试
6.3 飞行器调试
6.4 飞行测试
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
附录
附录一 插图清单
附录二 表格清单
附录三 部分程序
在学研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]RBF神经网络的舰船图像滤波融合[J]. 李红睿,杜银霞,邢彦飞. 舰船科学技术. 2017(24)
[2]基于扩展卡尔曼滤波的小型固定翼无人机姿态估计方法分析[J]. 杨兆,沈作军. 航空科学技术. 2017(11)
[3]四旋翼飞行器建模及其运动控制[J]. 郭勇,汪大伟,邓宇. 传感器与微系统. 2017(11)
[4]四旋翼飞行器全控制算法研究[J]. 崔道旺,柳向斌. 控制工程. 2017(10)
[5]改进扩展卡尔曼滤波对四旋翼姿态解算的研究[J]. 侯玉涵,王耀力. 电子技术应用. 2017(10)
[6]四旋翼飞行器的建模与控制仿真[J]. 李仲德,刘恒山. 自动化应用. 2017(09)
[7]低通滤波器在数据采集系统中的应用[J]. 孙双双,杨衍舒,王云,张志强,韩立. 教练机. 2017(03)
[8]串级PID控制在水下机器人俯仰控制系统中的应用[J]. 王建华,宋燕,魏国亮,袁彬. 上海理工大学学报. 2017(03)
[9]基于PID改进型互补滤波[J]. 季元扬,陈跃东,陈孟元. 控制工程. 2017(05)
[10]基于非线性互补滤波算法的四旋翼飞行器姿态信息融合处理[J]. 孙菁宇,高国伟,潘宏生,毛瑞燕. 传感器世界. 2017(04)
硕士论文
[1]有缆多旋翼飞行器控制系统优化设计研究[D]. 周蕾.南昌航空大学 2017
[2]基于多传感器的多旋翼无人机导航解算方法研究[D]. 田方澍.哈尔滨工业大学 2017
[3]四旋翼飞行器飞行控制系统研究[D]. 丁雪芳.西安科技大学 2017
[4]四旋翼飞行器动力建模及方向控制研究[D]. 陈东东.中北大学 2017
[5]小型四轴飞行器建模与控制系统设计[D]. 徐宝梅.电子科技大学 2017
[6]防碰撞四旋翼飞行器动力学建模与控制研究[D]. 戴启浩.南京理工大学 2017
[7]基于北斗/GPS终端的车辆监控系统研究与实现[D]. 韩兆渊.昆明理工大学 2017
[8]基于自抗扰算法的四旋翼无人机抗风性能研究[D]. 史腾飞.华北电力大学 2017
[9]多旋翼飞行器低成本飞行控制系统设计与实现[D]. 王丁伟.南京航空航天大学 2017
[10]基于MARG传感器的四旋翼姿态控制器研究[D]. 张柳.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3196212
【文章来源】：安徽工业大学安徽省
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 多旋翼飞行器国内外研究现状
1.2.2 系留多旋翼飞行器国内外研究现状
1.3 本文的主要研究内容及结构
第二章 系留六旋翼飞行器飞行原理及数学建模
2.1 坐标系变换
2.2 六旋翼飞行器飞行原理
2.3 六旋翼飞行器动力学模型
2.4 系留六旋翼飞行器数学模型
2.4.1 系留线缆分析
2.4.2 系留六旋翼飞行器动力学模型
2.5 本章小结
第三章 系统总体设计
3.1 系留六旋翼飞行器系统总体结构设计
3.2 飞行控制系统硬件结构
3.3 飞行控制系统软件框架
3.4 系统设计的主要任务
3.4.1 实现飞行器的长航时飞行
3.4.2 实现姿态角的高精度解算
3.4.3 飞行控制算法设计
3.5 本章小结
第四章 系统硬件设计
4.1 飞行控制器
4.1.1 主控制器
4.1.2 IMU惯性传感器模块
4.1.3 磁力计模块
4.1.4 高度测量模块
4.1.5 数据存储模块
4.1.6 无线数据传输模块
4.1.7 GPS定位模块
4.1.8 遥控装置
4.1.9 电源管理模块
4.2 六旋翼飞行器设计
4.3 供电系统
4.3.1 系泊单元
4.3.2 系留线缆
4.3.3 升空平台
4.4 本章小结
第五章 系统软件设计
5.1 传感器数据获取
5.1.1 IIC通信
5.1.2 加速度计及陀螺仪数据获取
5.1.3 磁力计数据获取
5.1.4 气压计数据获取
5.2 传感器数据滤波
5.2.1 加速度计数据滤波
5.2.2 陀螺仪数据滤波
5.2.3 磁力计数据滤波
5.2.4 气压计数据滤波
5.3 传感器数据校正
5.3.1 加速度计数据校正
5.3.2 陀螺仪数据校正
5.3.3 磁力计数据校正
5.4 姿态解算算法
5.4.1 姿态角的四元数法表示
5.4.2 互补滤波算法
5.4.3 扩展卡尔曼滤波算法
5.5 控制算法研究及仿真
5.5.1 串级PID控制
5.5.2 模糊自适应控制算法
5.5.3 定点悬停控制
5.6 地面站通讯
5.7 本章小结
第六章 系统测试与实验
6.1 系统测试平台
6.2 姿态角精度测试
6.3 飞行器调试
6.4 飞行测试
6.5 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
附录
附录一 插图清单
附录二 表格清单
附录三 部分程序
在学研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]RBF神经网络的舰船图像滤波融合[J]. 李红睿,杜银霞,邢彦飞. 舰船科学技术. 2017(24)
[2]基于扩展卡尔曼滤波的小型固定翼无人机姿态估计方法分析[J]. 杨兆,沈作军. 航空科学技术. 2017(11)
[3]四旋翼飞行器建模及其运动控制[J]. 郭勇,汪大伟,邓宇. 传感器与微系统. 2017(11)
[4]四旋翼飞行器全控制算法研究[J]. 崔道旺,柳向斌. 控制工程. 2017(10)
[5]改进扩展卡尔曼滤波对四旋翼姿态解算的研究[J]. 侯玉涵,王耀力. 电子技术应用. 2017(10)
[6]四旋翼飞行器的建模与控制仿真[J]. 李仲德,刘恒山. 自动化应用. 2017(09)
[7]低通滤波器在数据采集系统中的应用[J]. 孙双双,杨衍舒,王云,张志强,韩立. 教练机. 2017(03)
[8]串级PID控制在水下机器人俯仰控制系统中的应用[J]. 王建华,宋燕,魏国亮,袁彬. 上海理工大学学报. 2017(03)
[9]基于PID改进型互补滤波[J]. 季元扬,陈跃东,陈孟元. 控制工程. 2017(05)
[10]基于非线性互补滤波算法的四旋翼飞行器姿态信息融合处理[J]. 孙菁宇,高国伟,潘宏生,毛瑞燕. 传感器世界. 2017(04)
硕士论文
[1]有缆多旋翼飞行器控制系统优化设计研究[D]. 周蕾.南昌航空大学 2017
[2]基于多传感器的多旋翼无人机导航解算方法研究[D]. 田方澍.哈尔滨工业大学 2017
[3]四旋翼飞行器飞行控制系统研究[D]. 丁雪芳.西安科技大学 2017
[4]四旋翼飞行器动力建模及方向控制研究[D]. 陈东东.中北大学 2017
[5]小型四轴飞行器建模与控制系统设计[D]. 徐宝梅.电子科技大学 2017
[6]防碰撞四旋翼飞行器动力学建模与控制研究[D]. 戴启浩.南京理工大学 2017
[7]基于北斗/GPS终端的车辆监控系统研究与实现[D]. 韩兆渊.昆明理工大学 2017
[8]基于自抗扰算法的四旋翼无人机抗风性能研究[D]. 史腾飞.华北电力大学 2017
[9]多旋翼飞行器低成本飞行控制系统设计与实现[D]. 王丁伟.南京航空航天大学 2017
[10]基于MARG传感器的四旋翼姿态控制器研究[D]. 张柳.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3196212
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3196212.html
