四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真

发布时间：2017-04-30 23:02

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器。近些年来，随着飞行控制理论、机电一体化技术、传感器技术等的飞速发展，四旋翼飞行器的应用前景越来越广阔，并受到了越来越广泛地关注。 本文针对一种四旋翼飞行器，根据其动力学特性建立了数学模型，并以CycloneⅡEP2C8Q208C型号的FPGA芯片为控制核心，设计了四旋翼飞行控制器的硬件系统，，最后通过实验仿真进行了性能测试和结果分析。本文完成了如下的主要工作： 将四旋翼飞行控制系统分成旋翼控制子系统、传感器子系统和通信子系统，通过分析其飞行原理，对各个子系统的结构、整体硬件电路进行了设计。 应用捷联式惯性导航原理设计了飞行器的导航系统，整合传感器采集到的数据使其准确的反映出飞行器当前的飞行姿态，用于下一步的姿态控制。为解决导航系统姿态角缓慢发散的缺陷，本文给出了姿态角的校正方法，通过实验验证了校正方法的有效性。 对所设计的四旋翼飞行器建立了系统的数学模型，从动力学和运动学两方面分析其系统特性，得到了飞行器的运动方程。 飞行器的姿态控制是整个飞行控制系统的最主要部分，四旋翼飞行器实际上是通过四个电机转动输入来实现三轴姿态和位置等六个被控量的输出，是一个典型的欠驱动系统。本文使用经典PID控制算法对四旋翼飞行器姿态角和位置做了闭环控制，运用MATLAB/simulink搭建了飞行器的仿真系统。通过仿真实验，结果表明该控制算法对姿态的控制效果良好，验证了所设计的控制系统的有效性。
【关键词】：四旋翼飞行器 FPGA 捷联式惯导 飞行控制系统 动力学模型
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V249.122
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1．绪论10-16
• 1.1 引言10
• 1.2 课题研究背景及意义10-12
• 1.3 国内外的研究现状及主要问题12-14
• 1.3.1 研究现状12-13
• 1.3.2 研究中的主要问题13-14
• 1.4 本文研究的主要内容及工作安排14-16
• 1.4.1 研究的主要内容14-15
• 1.4.2 章节安排15-16
• 2．四旋翼飞行器的总体设计16-27
• 2.1 四旋翼飞行器的结构框架及飞行原理16-20
• 2.2 设计目标20
• 2.3 总体结构设计20-24
• 2.3.1 旋翼控制子系统工作方式21-22
• 2.3.2 传感器子系统工作方式22-24
• 2.3.3 通信子系统工作方式24
• 2.4 硬件总体设计24-25
• 2.5 软件总体设计25-27
• 3．飞行器硬件电路系统设计27-41
• 3.1 主控制器设计27-30
• 3.1.1 控制器选型27-29
• 3.1.2 FPGA 最小系统29-30
• 3.2 LED 测试电路及 Buzzer 蜂鸣器电路设计30
• 3.3 UART 串行接口电路30-31
• 3.4 传感器电路设计31-35
• 3.4.1 惯性传感器选型31-34
• 3.4.2 传感器电路连接原理34-35
• 3.5 电源供电电路设计35-36
• 3.5.1 芯片介绍35
• 3.5.2 电源供电电路原理35-36
• 3.6 无刷直流电机驱动电路设计36-41
• 3.6.1 驱动及执行机构器件介绍36-38
• 3.6.2 电机驱动电路原理38-41
• 4．四旋翼飞行器导航系统解算41-58
• 4.1 导航系统参考坐标系描述41-42
• 4.2 惯导系统基本原理42-45
• 4.2.1 平台式惯性导航系统基本原理43-44
• 4.2.2 捷联式惯性导航系统基本原理44-45
• 4.3 捷联式惯性导航系统的位置方程和姿态方程45-52
• 4.3.1 导航系统位置方程45-48
• 4.3.2 惯导系统的姿态方程48-52
• 4.4 系统位置参数及姿态角计算52-53
• 4.5 导航系统静态分析53-58
• 5．四旋翼飞行器的建模与控制系统仿真58-71
• 5.1 飞行器系统建模58-62
• 5.2 系统控制算法62-68
• 5.3 仿真结果及分析68-71
• 6．调试71-75
• 6.1 电源调试71-72
• 6.2 陀螺仪、加速度计和数字罗盘调试72-74
• 6.3 控制电机调试74
• 6.4 系统调试74-75
• 7．总结与展望75-77
• 附录77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士期间发表的论文情况82-83
• 致谢83

【参考文献】

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本文编号：337732