四轴飞行器控制系统设计

发布时间：2017-04-27 22:10

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【摘要】：四轴飞行器是一种性能卓越的无人飞行器,具有结构简单、机动灵活、起降空间小等优点,有着广阔的应用前景,吸引了众多的科研人员,成为国内外新的研究热点。飞行控制系统是四轴飞行器的核心部分,飞行器通过控制系统和外界交互并作出响应,控制系统的优劣直接决定着飞行器的性能,因此研究高性能飞行器控制系统具有十分重要的意义。本文主要工作如下,建立飞行器数学模型,设计算法进行飞行姿态融合和飞行器控制,最后设计完成飞行器硬件和软件部分并进行实际飞行测试。本文重点介绍飞行器控制系统的设计,主要研究能容如下:首先介绍了四轴飞行器国内外的发展情况,根据实际科研情况和飞行器特点,给出了飞行器控制系统的整体方案。其次为理论部分设计,主要包括:建立飞行器数学模型,根据模型特点,分别设计了PID,串级PID和Backstepping控制器,并进行仿真分析;根据惯性导航原理,设计姿态算法将陀螺仪和加速度计数据融合得到飞行器的姿态角度。最后为系统实现以及飞行测试。本文以STM32处理器为控制核心,MPU6050为姿态传感器,设计了飞行器的硬件结构;依据理论部分,完成了控制系统软件部分设计,并测试飞行。实验表明,本文设计的飞行器可以很好地跟随指令,飞行平稳,有很好的抗干扰能力。
【关键词】：四轴飞行器 飞行控制 backstepping 姿态控制
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题研究背景与意义9
• 1.2 国内外研究现状以及发展趋势9-13
• 1.3 论文的研究内容及章节安排13-15
• 1.3.1 论文主要研究内容及意义13-14
• 1.3.2 论文章节安排14-15
• 第2章 四轴飞行器原理及数学建模15-26
• 2.1 四轴飞行器飞行原理15-16
• 2.1.1 前言15
• 2.1.2 结构框架15-16
• 2.2 四轴飞行器原理分析16-19
• 2.3 四轴飞行器数学建模19-25
• 2.3.1 旋翼空气动力学模型分析19-21
• 2.3.2 坐标描述及其转换关系21-23
• 2.3.3 动力学方程的建立23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 四轴飞行器控制器设计26-43
• 3.1 飞行控制器设计方案26
• 3.2 PID控制器26-34
• 3.2.1 单级PID26-31
• 3.2.2 串级PID31-34
• 3.3 BACKSTEEPING控制器34-42
• 3.3.1 基于Lyapunov稳定性定理的Backstepping原理34-37
• 3.3.2 四轴飞行器Backstepping控制器37-40
• 3.3.3 基于Backstepping四轴飞行器控制器仿真分析40-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第4章 姿态融合算法43-52
• 4.1 惯性导航43-45
• 4.2 四元数姿态解算45-49
• 4.2.1 四元数简介45-47
• 4.2.3 四元数姿态解算算法47-49
• 4.3 算法实际测试49-51
• 4.4 本章小结51-52
• 第5章 系统设计及实现52-68
• 5.1 总体设计52-53
• 5.2 硬件系统设计53-56
• 5.2.1 电源模块53
• 5.2.2 主控模块53-55
• 5.2.3 姿态传感器模块55
• 5.2.4 电机控制模块55-56
• 5.3 软件系统设计56-62
• 5.3.1 总体设计56-58
• 5.3.2 系统初始化58
• 5.3.3 姿态解算58-60
• 5.3.4 控制算法设计60-62
• 5.3.5 参数调试62
• 5.4 总体实现62-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 总结68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74

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本文编号：331531