四轴飞行器的研究与设计

发布时间：2017-04-29 09:07

  本文关键词：四轴飞行器的研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四轴飞行器从属于一种结构比较紧凑,且易于控制具有比较新颖飞行方式的灵活直降式飞行器,因为其起飞降落容易控制,所占空间较小,姿态保持能力较强等优点,在民用和军事方面受到极大的亲睐。四轴飞行器发展前景也较为广阔。 本课题分析了国际上与国内四轴飞行器的发展研究情况,介绍了目前主流的四轴飞行器,并给出具体设计到的技术理论知识。主要通过串级PID调节及无刷直流电机驱动技术,初步研究和设计了四轴飞行器的整体结构与飞控系统,并优化了姿态控制算法。在此基础上搭载通讯模块,研制出的样机不仅能够实现基本的飞行动作,同时还可以进行搭载摄像,进行实时视频监控。 本文首先对四轴飞行器的结构特点以及工作原理进行研究,结合课题目标与具体四轴飞行器飞行参数,对样机进行建模。通过四元数到欧拉角的转换,通过对四轴飞行器的具体参数并结合传递函数得到六个通道函数。引入相关控制量,采用经典位置式PID控制算法,结合MATLAP进行飞行姿态仿真,并验证其飞行的可靠性与稳定性。 在飞行姿态测量方面采用三轴加速计和三轴陀螺仪共同完成,提供互补的参数完整的采集飞行器飞行过程中实时的姿态资料,并将这些数据传输给主控模块用于姿态解析,并通过卡尔曼滤波算法对传感器数据进行处理,并将这些数据进行姿态解算得到滚动角、俯仰角、偏航角来分析飞行器的实时姿态。针对飞行器工作过程中可能发生的故障(如止供电电压过高或过低、电机堵转、控制信号中断、电路故障等)提出了软硬件安全保护设计。软件平台采用了国内主导的开源系统RT-Thread。软件系统框架由上下位机两部分。下位机软件主要通过C语言对STM32F407微控制器进行编程。上位机软件主要通过MATLAB编程实现。
【关键词】：四轴飞行器 四元数 飞行姿态 PID STM32F407
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V27;V249
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 1 绪论12-20
• 1.1 课题背景与意义12-13
• 1.2 国内外研究历史与现状13-18
• 1.2.1 四轴飞行器的发展历史13-15
• 1.2.2 四轴飞行器的研究现状15-18
• 1.3 本文研究的主要内容18-20
• 2 四轴飞行器理论基础20-26
• 2.1 四轴飞行器概述与应用20-21
• 2.2 四轴飞行器的运动原理21-25
• 2.3 本章小结25-26
• 3 四轴飞行器的建模及控制26-48
• 3.1 飞行器的姿态确定26-28
• 3.2 四轴飞行器数据采集线程和数据处理线程的设定28
• 3.3 四元数法及其姿态解算的算法实现28-31
• 3.4 四元数流程31-32
• 3.5 卡尔曼滤波算法的实现32-35
• 3.6 PID串级算法分析35-38
• 3.6.1 PID算法原理35-36
• 3.6.2 增量式PID算法36-37
• 3.6.3 位置式PID算法37-38
• 3.7 仿真分析38-45
• 3.8 本章小结45-48
• 4 硬件电路设计48-60
• 4.1 电源模块49-50
• 4.2 姿态测量模块50-54
• 4.2.1 飞行姿态测量51-53
• 4.2.2 高度测量模块53
• 4.2.3 地理坐标测量模块53-54
• 4.3 遥控模块54-55
• 4.4 主控模块55-57
• 4.5 电机驱动模块57-58
• 4.6 本章小结58-60
• 5 系统软件设计60-76
• 5.1 下位机软件设计60-70
• 5.1.1 初始化程序的设计60-62
• 5.1.2 数字滤波器的设计62-65
• 5.1.3 数据融合与姿态解算65-66
• 5.1.4 姿态解算的实现66-68
• 5.1.5 PID控制调节68-70
• 5.2 上位机软件设计70-74
• 5.3 本章小结74-76
• 6 系统测试与分析76-82
• 6.1 飞行器整体结构76
• 6.2 调试问题与解决方案76-80
• 6.3 本章小结80-82
• 7 总结与展望82-84
• 参考文献84-88
• 致谢88-90
• 作者简介90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王帅;魏国;;卡尔曼滤波在四旋翼飞行器姿态测量中的应用[J];兵工自动化;2011年01期

2 秦勇;臧希U，

本文编号：334573