微型四旋翼无人机控制系统设计与实现

发布时间：2017-05-17 04:10

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【摘要】：微小型多旋翼无人机在军事、民用和科技领域发挥着越来越重要的作用。旋翼无人机具有体积小、质量轻、无人驾驶、可垂直起降和定点悬停、操作性好等优势。无人机飞行控制系统的设计是实现无人机自主飞行的关键与核心，飞行控制系统的性能优劣直接决定了旋翼无人机的飞行性能及其完成任务的情况。因此研制适合多旋翼无人机的轻型化、低成本、低功耗的飞行控制系统具有重要的理论价值和工程应用价值。 本文选取微型四旋翼无人机（Micro-4-rotor，M4R）为研究对象和平台。在分析其结构形式及工作原理的基础上，建立相应数学模型，并设计相应的控制策略，通过仿真分析验证其控制策略的可行性；针对M4R对载荷、成本、功耗、体积等方面的要求，系统地给出了该飞行控制系统硬件平台设计方案，根据模块化思想进行了飞行控制计算机、传感器模块、电源模块、执行机构驱动模块、遥控无线链路、通讯无线链路以及其飞行控制地面站等模块的设计和实现；应用Allan方差分析方法、FFT变换法分析传感器原始数据，设计实现了基于四元数的Kalman滤波姿态融合算法和互补滤波姿态融合算法的姿态参考系统，并对两种算法的效果进行比较分析；分析并结合M4R飞行控制系统性能要求，给出了M4R飞行控制系统的软件设计思想及包含软件总体设计与系统初始化、传感器模块、信号输入输出模块、轨迹控制回路模块的软件实现流程；定义了相关数据通信协议，并设计了基于Qt的飞行控制地面站，以实时获取飞行数据；最后搭建相应测试平台，进行M4R姿态参考系统及飞行控制地面站软件测试，并通过地面飞行实验验证飞行控制系统软件、硬件及可行性与可靠性。 飞行实验数据及试验结果表明，本文所设计的M4R飞行控制系统的各个硬件模块工作正常，散热小，，满足设计要求；其软件设计流程架构合理可行；所设计的姿态参考系统满足M4R飞行器对姿态的精度要求；本文设计的飞行控制地面站满足实际飞行及飞行测试需求，具有较强的灵活性和良好的实时性；多个飞行试验平台验证本文所采用的控制算法满足M4R飞行器对飞行控制的要求。
【关键词】：多旋翼 无人机 飞行控制系统 姿态参考系统 地面站
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 绪论15-22
• 1.1 研究背景与意义15-16
• 1.2 国内外研究现状及发展16-18
• 1.2.1 国外研究现状16-18
• 1.2.2 国内研究现状18
• 1.3 四旋翼无人机研究中的关键技术18-19
• 1.3.1 微型四旋翼无人机特点18
• 1.3.2 四旋翼无人机飞行控制系统研究中的关键技术18-19
• 1.4 课题研究的内容以及章节安排19-22
• 1.4.1 研究目标19-20
• 1.4.2 研究内容和章节安排20-22
• 第二章 M4R 运动建模与控制律设计22-35
• 2.1 引言22
• 2.2 M4R 工作原理及其组成22-25
• 2.2.1 M4R 工作原理22-24
• 2.2.2 M4R 组成24-25
• 2.3 M4R 的数学模型25-29
• 2.3.1 坐标系定义25-26
• 2.3.2 动力学建模26
• 2.3.3 M4R 角运动模型26-29
• 2.3.4 M4R 线运动模型29
• 2.4 M4R 控制律设计29-31
• 2.4.1 M4R 控制系统结构29-30
• 2.4.2 M4R 稳定回路控制律设计30-31
• 2.4.3 M4R 制导回路控制律设计31
• 2.5 飞行控制系统仿真分析31-34
• 2.6 本章小结34-35
• 第三章 M4R 飞行控制系统硬件设计35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 M4R 飞行控制系统需求分析35-36
• 3.3 M4R 飞行控制系统设计方案36-37
• 3.4 M4R 飞行控制系统各组成模块硬件设计37-41
• 3.4.1 飞控计算机37-38
• 3.4.2 传感器模块38-39
• 3.4.3 执行机构驱动模块39-40
• 3.4.4 遥控无线链路模块40
• 3.4.5 通信无线链路模块40
• 3.4.6 电源系统模块40-41
• 3.5 M4R 飞行控制系统硬件电路实现41-42
• 3.6 本章小结42-43
• 第四章 飞行姿态参考系统设计实现43-56
• 4.1 引言43
• 4.2 传感器误差特性分析43-48
• 4.2.1 MEMS 陀螺仪误差分析及校正43-46
• 4.2.2 MEMS 加速度计原始数据分析及预处理46-48
• 4.3 基于四元数卡尔曼滤波算法的姿态参考系统设计48-53
• 4.3.1 四元数介绍48-49
• 4.3.2 卡尔曼滤波器介绍49-50
• 4.3.3 基于四元数卡尔曼滤波器姿态参考系统实现50-53
• 4.4 基于互补滤波器的姿态参考系统设计53-54
• 4.5 姿态参考系统飞行实验54-55
• 4.6 本章小结55-56
• 第五章 M4R 飞行控制系统软件设计56-74
• 5.1 引言56
• 5.2 软件总体设计与系统初始化56-59
• 5.2.1 软件总体设计56-57
• 5.2.2 系统初始化57-59
• 5.3 传感器模块软件设计59-64
• 5.3.1 姿态参考系统软件设计60-62
• 5.3.2 位置定位系统软件设计62-64
• 5.4 信号输入输出模块设计64-66
• 5.4.1 遥控信号输入解码模块64-65
• 5.4.2 I~2C 电调控制信号输出模块65-66
• 5.5 轨迹控制回路软件设计66-67
• 5.6 飞行控制地面站设计67-73
• 5.6.1 飞行控制地面站通讯协议设计67-69
• 5.6.2 遥控信号初始化通讯协议设计69-70
• 5.6.3 基于 Qt 的飞行控制地面站软件设计70-73
• 5.7 本章小结73-74
• 第六章 M4R 飞行实验74-85
• 6.1 引言74
• 6.2 姿态参考系统测试74-76
• 6.3 飞行控制地面站测试76-80
• 6.4 地面飞行测试80-84
• 6.5 本章小结84-85
• 第七章 总结与展望85-87
• 7.1 本文的主要工作85
• 7.2 进一步展望85-87
• 参考文献87-91
• 致谢91-92
• 在攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文92

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 宿敬亚;樊鹏辉;蔡开元;;四旋翼飞行器的非线性PID姿态控制[J];北京航空航天大学学报;2011年09期

2 秦勇;臧希U

本文编号：372514