带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计

发布时间：2017-05-03 12:13

  本文关键词：带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无人飞行器不仅被应用于民用和军用事业,它还具备在恶劣的空中环境中作业的特点,如太空资源的探测开发,小型无人飞行器可分为固定翼和旋翼机两种,旋翼飞行器由于其体积小,轻便灵活,并且能够在狭窄的空间内实现目标上空悬浮、全方向飞行、以及垂直起降,所以旋翼式飞行器更适合于去执行一些侦察或者监视一类的任务。 本文主要研究了适用于室内或在较为狭窄的空间内飞行作业的四旋翼飞行器,其设计采用STM32作为主控芯片对惯性测量、执行驱动等单元模块进行运算及控制。为了增加飞行的稳定性,硬件上,通过三轴陀螺仪测量出飞行器在立体空间中三个轴的角加速度,通过三轴加速度计测量飞行器在三维空间中三个方向的加速度,软件上,研究了一种基于卡尔曼滤波和PID反馈的飞行器姿态控制算法来调整飞行器平衡。此外,为满足室内和较窄空间安全飞行,飞行器需要在具体的动态性和不确定性的环境中具有一定的识别障碍物、避开障碍物的能力。本文采用了红外传感器来探测障碍物并通过简单的避障算法来实现自动避障。 本文研发的四旋翼飞行器重量轻,体积小,机械结构简单,有较好的灵活性和适应性。实验原型机的运行结果验证了此智能飞行器实现自动避障的可行性,为今后进一步工程化和实用化打下了基础。此款飞行器预留有扩展接口,后期可扩展微型摄像头、WIFI模块,使之有更广阔的应用空间,例如：实现办公大楼无死角智能远程巡楼；探测地面机器人或地面智能小车无法到达的危险环境；实现高压输电线的空中巡线等,可以极大的节省人力成本和保证人们的生命安全。
【关键词】：四旋翼飞行器 STM32 信息融合 飞行控制 自动避障
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9
• 1.2 课题内容的国内外研究现况9-14
• 1.3 课题研究的背景及意义14-16
• 1.4 本文内容及结构16-17
• 第二章 四轴飞行器系统的原理17-23
• 2.1 前言17
• 2.2 结构框架17-18
• 2.3 运动原理18-22
• 2.4 自动避障原理22-23
• 第三章 四轴飞行器硬件系统设计23-40
• 3.1 整体结构设计23-24
• 3.2 控制器芯片24-27
• 3.2.1 芯片简介24-26
• 3.2.2 开发环境26-27
• 3.3 姿态检测模块27-34
• 3.3.1 加速度计和陀螺仪的原理28-30
• 3.3.2 MPU-6050简介30-32
• 3.3.3 MPU-6050引脚描述及其封装32-33
• 3.3.4 MPU-6050系统的结构图及其应用电路33-34
• 3.4 自动避障模块34-37
• 3.4.1 测距传感器的选择35-36
• 3.4.2 红外光电测距电路36-37
• 3.5 遥控模块37-39
• 3.5.1 遥控器操作37-38
• 3.5.2 NRF24L01芯片简介38
• 3.5.3 NRF24L01性能参数38-39
• 3.6 电源功能模块39-40
• 第四章 软件系统设计40-62
• 4.1 软件系统总体设计40-41
• 4.2 基于MPU-6050的姿态稳定控制的实现41-59
• 4.2.1 I~2C通讯41-43
• 4.2.2 MPU-6050的初始化配置43-45
• 4.2.3 卡尔曼滤波的应用45-47
• 4.2.4 数据输入设计47-49
• 4.2.5 姿态解算的实现49-50
• 4.2.6 PID控制器的设计50-55
• 4.2.7 四元数与欧拉角的转换55-59
• 4.3 自动避障子程序59-62
• 4.3.1 总体流程图59
• 4.3.2 基本避障过程59-60
• 4.3.3 复杂情况避障路径规划60-61
• 4.3.4 避障程序运行总述61-62
• 第五章 系统功能测试62-70
• 5.1 设计结果62-63
• 5.2 功耗分析63
• 5.3 算法验证分析63-66
• 5.3.1 姿态解算的分析63-66
• 5.3.2 欧拉角问题的分析66
• 5.4 控制系统的改进66-67
• 5.4.1 磁力传感器66-67
• 5.4.2 改进分析67
• 5.5 PID参数的设定67-69
• 5.6 本飞行系统与目前的比较69
• 5.7 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 论文总结70
• 6.2 研究展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 攻读学位期间发表的学术论文目录77

【参考文献】

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  本文关键词：带自动避障系统的智能四轴飞行器的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：343013