四旋翼无人机实时仿真平台设计与运动控制技术研究
发布时间：2022-01-24 10:56
四旋翼无人机有效平衡了机身旋翼带来的反扭矩,可实现空中悬停、垂直起降等多种飞行运动状态,具有可远程操纵、机动灵活性强等优势,因而在民用领域和军事领域均具有很高的研究价值与应用前景,逐渐成为国内国际热门研究课题之一。当前针对四旋翼的研究成果较多,但仍存在现有的仿真平台灵活性和可移植性较差、实验测试算法的硬件实现测试成本过高、响应速度快且稳定性高的控制系统设计难度较大等问题。为解决这些问题,本文以设计灵活性好、可移植度高的四旋翼无人机实时仿真平台和优化运动控制算法为目标,完成了无人机软硬件系统和实时仿真平台的搭建,并对控制系统和姿态解算进行了较为深入研究和测试。主要研究内容及结果如下:（1）基于STM32研究了四旋翼无人机的软硬件系统,给出了硬件系统的原理图和版图的设计,硬件共分微控制器模块、惯性导航模块、通信系统模块、串口模块、电源模块五个模块;设计了无人机软件流程,并完成了传感器校准、姿态解算、App控制、上位机调试等功能。（2）结合四旋翼的结构和运动状态等,设计并实现了由无人机模型、运动控制算法模块、图形用户界面组成的四旋翼无人机实时仿真平台。针对平台的控制系统部分,分析了四旋翼常用...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可作为腕带佩戴的Nixie
图 2.2 微控制器模块原理图其中主控芯片的 PB6 引脚和 PB7 引脚通过 I2C 协议连接到 GY-86 传感器模块，采集整机姿态相关信息；PC6~PC9 引脚输出四路 PWM 波形，分别用于对四旋翼飞行器的四个电机进行控制。微控制器模块还包括了时钟电路、复位电路等。时钟电路和复位电路与主控芯片一起构成了最小单片机系统，其中时钟电路主要由一个 8MHz 石英晶体振荡器组成，系统时钟可以自选，一般在系统启动时进行选择，默认情况下使用 8MHz 的时钟频率。复位电路由一个充放电电容和上拉电阻组成，主控芯片上的复位信号引脚为 NRST，当24 个振荡脉冲周期（即 2 个机器周期）以上的高电平加载到复位 NRST 端时，系统就能实现内部复位功能。2.1.3 惯性导航模块设计由运动感测追踪的原理可知，惯性导航模块主要用于采集无人机原始姿态数据，其组成包含了加速度器、陀螺仪、压力传感器和地磁传感器等。本惯性导航模块主要由GY-86 模块组成，GY-86 模块中集成了体积较小、功能强大且精度较高的组件 MPU6050、压力传感器 MS5611 和地磁传感器 HMC5883。
图 2.3 MPU6050 传感器原理图力传感器又叫做气压计，MS5611 压力传感器是集合 SPI 和 I2C（高达 20口的高分辨率气压传感器，分辨率可达到 10cm。该压力传感器与 VTI00 相比虽然在气压、计算和温度读数方面较弱，但体积较小、工作温度度较快。该传感器包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的 24换器，对于压力和温度的数值读取达 24 位，其转换速度较快且功耗较低流仅为 。MS5611 压力传感器原理图如下图 2.4 所示。图 2.4 MS5611 压力传感器原理图
【参考文献】：
期刊论文
[1]武警无人机应用发展研究[J]. 于力,马振利,徐磊. 国防科技. 2017(04)
[2]无人机系统进入国家空域面临的挑战[J]. 祁圣君. 飞航导弹. 2017(06)
[3]无人机系统在陆地边防警务工作中的应用探析[J]. 徐晨华. 信息化建设. 2016(02)
[4]四旋翼无人机模糊自抗扰姿态控制及稳定性分析[J]. 窦景欣,孔祥希,闻邦椿. 中国惯性技术学报. 2015(06)
[5]旋翼飞行机器人研究进展[J]. 谭建豪,王耀南,王媛媛,张艺巍,王楚,陈谢沅澧. 控制理论与应用. 2015(10)
[6]互补滤波算法在四旋翼飞行器姿态解算中的应用[J]. 万晓凤,康利平,余运俊,林伟财. 测控技术. 2015(02)
[7]基于STM32的四旋翼飞行器姿态测量系统设计[J]. 曹延超. 软件. 2015(01)
[8]四旋翼无人机L1自适应块控反步姿态控制器设计[J]. 甄红涛,齐晓慧,李杰,苏立军,田庆民. 控制与决策. 2014(06)
[9]惯性航向姿态系统初始对准仿真[J]. 岳凤英,李大威,李永红,曹凤才. 火力与指挥控制. 2009(12)
硕士论文
[1]基于Backstepping和H∞回路成形方法的微小型四旋翼飞行器控制器设计[D]. 丁锁辉.东南大学 2016
[2]小型四旋翼飞行器平台设计与控制方法研究[D]. 刘军雨.哈尔滨工业大学 2016
[3]四旋翼飞行器建模与控制方法研究[D]. 罗春光.天津工业大学 2016
[4]MARG姿态测量系统抗干扰算法研究[D]. 赵代弟.中北大学 2015
[5]四旋翼飞行器控制系统的设计和实现[D]. 段世华.电子科技大学 2012
[6]数据采集系统中数字滤波算法的研究[D]. 伍灵杰.北京林业大学 2010
[7]四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D]. 刘丽丽.中南大学 2009
[8]微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D]. 聂博文.国防科学技术大学 2006
[9]四旋翼直升机控制问题研究[D]. 王树刚.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3606450
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
可作为腕带佩戴的Nixie
图 2.2 微控制器模块原理图其中主控芯片的 PB6 引脚和 PB7 引脚通过 I2C 协议连接到 GY-86 传感器模块，采集整机姿态相关信息；PC6~PC9 引脚输出四路 PWM 波形，分别用于对四旋翼飞行器的四个电机进行控制。微控制器模块还包括了时钟电路、复位电路等。时钟电路和复位电路与主控芯片一起构成了最小单片机系统，其中时钟电路主要由一个 8MHz 石英晶体振荡器组成，系统时钟可以自选，一般在系统启动时进行选择，默认情况下使用 8MHz 的时钟频率。复位电路由一个充放电电容和上拉电阻组成，主控芯片上的复位信号引脚为 NRST，当24 个振荡脉冲周期（即 2 个机器周期）以上的高电平加载到复位 NRST 端时，系统就能实现内部复位功能。2.1.3 惯性导航模块设计由运动感测追踪的原理可知，惯性导航模块主要用于采集无人机原始姿态数据，其组成包含了加速度器、陀螺仪、压力传感器和地磁传感器等。本惯性导航模块主要由GY-86 模块组成，GY-86 模块中集成了体积较小、功能强大且精度较高的组件 MPU6050、压力传感器 MS5611 和地磁传感器 HMC5883。
图 2.3 MPU6050 传感器原理图力传感器又叫做气压计，MS5611 压力传感器是集合 SPI 和 I2C（高达 20口的高分辨率气压传感器，分辨率可达到 10cm。该压力传感器与 VTI00 相比虽然在气压、计算和温度读数方面较弱，但体积较小、工作温度度较快。该传感器包括一个高线性度的压力传感器和一个超低功耗的 24换器，对于压力和温度的数值读取达 24 位，其转换速度较快且功耗较低流仅为 。MS5611 压力传感器原理图如下图 2.4 所示。图 2.4 MS5611 压力传感器原理图
【参考文献】：
期刊论文
[1]武警无人机应用发展研究[J]. 于力,马振利,徐磊. 国防科技. 2017(04)
[2]无人机系统进入国家空域面临的挑战[J]. 祁圣君. 飞航导弹. 2017(06)
[3]无人机系统在陆地边防警务工作中的应用探析[J]. 徐晨华. 信息化建设. 2016(02)
[4]四旋翼无人机模糊自抗扰姿态控制及稳定性分析[J]. 窦景欣,孔祥希,闻邦椿. 中国惯性技术学报. 2015(06)
[5]旋翼飞行机器人研究进展[J]. 谭建豪,王耀南,王媛媛,张艺巍,王楚,陈谢沅澧. 控制理论与应用. 2015(10)
[6]互补滤波算法在四旋翼飞行器姿态解算中的应用[J]. 万晓凤,康利平,余运俊,林伟财. 测控技术. 2015(02)
[7]基于STM32的四旋翼飞行器姿态测量系统设计[J]. 曹延超. 软件. 2015(01)
[8]四旋翼无人机L1自适应块控反步姿态控制器设计[J]. 甄红涛,齐晓慧,李杰,苏立军,田庆民. 控制与决策. 2014(06)
[9]惯性航向姿态系统初始对准仿真[J]. 岳凤英,李大威,李永红,曹凤才. 火力与指挥控制. 2009(12)
硕士论文
[1]基于Backstepping和H∞回路成形方法的微小型四旋翼飞行器控制器设计[D]. 丁锁辉.东南大学 2016
[2]小型四旋翼飞行器平台设计与控制方法研究[D]. 刘军雨.哈尔滨工业大学 2016
[3]四旋翼飞行器建模与控制方法研究[D]. 罗春光.天津工业大学 2016
[4]MARG姿态测量系统抗干扰算法研究[D]. 赵代弟.中北大学 2015
[5]四旋翼飞行器控制系统的设计和实现[D]. 段世华.电子科技大学 2012
[6]数据采集系统中数字滤波算法的研究[D]. 伍灵杰.北京林业大学 2010
[7]四旋翼飞行仿真器的建模及控制方法的研究[D]. 刘丽丽.中南大学 2009
[8]微小型四旋翼无人直升机建模及控制方法研究[D]. 聂博文.国防科学技术大学 2006
[9]四旋翼直升机控制问题研究[D]. 王树刚.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3606450
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