小型旋翼飞行系统设计

发布时间：2017-05-18 17:10

  本文关键词：小型旋翼飞行系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着计算机技术与自动化技术的高速发展,智能机器人的研发和应用渐渐成为了学术团体和科研机构的研究的焦点。作为智能机器人研究领域热点的小型旋翼飞行器凭借其新颖的结构、灵活的操控性能和较小的地域局限性等优势,在军事和民用等诸多领域受到了越来越多的关注。 本文在分析了国内外旋翼飞行器研究现状、发展趋势和应用前景的基础上,旨在提出一种基于小型四旋翼飞行器的实验平台,使其能够满足基本的工程应用。论文首先对四旋翼飞行器的坐标系统和基本飞行原理做了相关说明,然后详细介绍了飞行器的整体设计框架,将搭载Linux操作系统的s5pv210处理器作为飞行器的控制核心,并配备有惯性测量模块、直流无刷电机驱动模块、无线通讯模块、GPS导航模块和图像采集模块以实现飞行器的自适应控制。系统采用四元数卡尔曼滤波算法将陀螺仪和加速计的所获取的数据较好地进行了融合和分析,以便对飞行器机体姿态进行最优估计。此外,还在MATLAB Simulink中对飞行控制系统进行了相关仿真,证明控制算法具备有效性和鲁棒性。之后将算法移植到ARM嵌入式系统中,并对控制参数进行了优化。最后对整套系统进行测试和分析,验证了飞行器平台的可行性。 本文在所搭建的硬件平台上进行相关算法的研究,使用PID控制算法完成了基本的姿态校正和飞行控制。编写的地面站软件能够采集飞行数据,模拟飞行姿态,显示摄像头采集回的视频图像,通过相关命令还可对飞行器实现基本的控制。本文初步搭建了小型四旋翼飞行实验平台,并进行了相关的性能仿真,为今后进一步的控制算法研究打下基础。
【关键词】：四旋翼飞行器 卡尔曼滤波 四元数 嵌入式系统
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP242.6;V275.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 选题的背景与研究的意义10
• 1.2 旋翼飞行器的发展和研究现状10-15
• 1.2.1 四旋翼发展历史10-11
• 1.2.2 四旋翼研究现状11-15
• 1.3 本论文研究主要内容15-17
• 第二章 系统飞行原理与总体结构17-23
• 2.1 四旋翼飞行器坐标系统17-20
• 2.1.1 坐标系定义17
• 2.1.2 姿态描述17-20
• 2.2 四旋翼飞行器基本原理20-21
• 2.3 飞行系统总体结构21-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 系统硬件方案设计23-35
• 3.1 硬件总体方案23
• 3.2 飞控核心模块设计23-29
• 3.2.1 核心控制器23-25
• 3.2.2 姿态航向参考系统(AHRS)25-27
• 3.2.3 高度检测模块27-28
• 3.2.4 GPS导航系统28-29
• 3.3 电机驱动模块29-31
• 3.3.1 电机选型与设计29-30
• 3.3.2 直流无刷电机控制原理30-31
• 3.4 无线通信模块31-32
• 3.5 电源管理模块32-33
• 3.6 硬件系统版图设计33-34
• 3.7 本章小结34-35
• 第四章 机载软件方案设计35-58
• 4.1 机载飞控系统软件平台设计35-36
• 4.2 嵌入式Linux软件平台36-37
• 4.3 嵌入式Linux及其编程环境的建立37-40
• 4.3.1 GNU工具集37
• 4.3.2 Shell37-38
• 4.3.3 Makefile与make38-39
• 4.3.4 交叉开发工具链39-40
• 4.4 Bootloader的定制及移植40-43
• 4.4.1 Bootloader简介40-42
• 4.4.2 基于s5pv210的U-Boot移植42-43
• 4.5 Linux内核的移植43-45
• 4.6 文件系统的创建45-47
• 4.6.1 文件系统介绍及其结构45-46
• 4.6.2 BusyBox46-47
• 4.7 外围设备驱动程序的设计实现47-52
• 4.7.1 电机PWM驱动47-49
• 4.7.2 GPS模块UART驱动49-50
• 4.7.3 三轴加速度计传感器SPI驱动50-51
• 4.7.4 磁力计传感器12C驱动51-52
• 4.8 应用层控制程序52-53
• 4.9 机载软件相关算法研究与分析53-57
• 4.9.1 卡尔曼滤波算法53-55
• 4.9.2 PID控制算法55-57
• 4.10 本章小结57-58
• 第五章 地面站软件系统设计58-66
• 5.1 地面监控软件系统的总体设计58
• 5.2 地面站监控软件设计58-64
• 5.2.1 数据监测模块60-62
• 5.2.2. GPS定位模块62-64
• 5.2.3 无线视频图像采集模块64
• 5.3 地面站监控软件执行流程64-65
• 5.4 监控软件最终架构65
• 5.5 本章小结65-66
• 第六章 系统试验及结果分析66-70
• 6.1 设计结果66
• 6.2 功耗分析66-67
• 6.3 仿真实验结果67-68
• 6.4 系统飞行实验68-69
• 6.5 本章小结69-70
• 第七章 结论与展望70-72
• 7.1 总结70
• 7.2 展望70-72
• 致谢72-73
• 参考文献73-77
• 附录77-78
• 作者在读期间发表的学术论文、发明专利及参加的科研项目78

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 杨超，宋寿峰;对直升机动力学的现状与发展的分析[J];北京航空航天大学学报;1995年02期

2 黄 真,李艳文,高 峰;空间运动构件姿态的欧拉角表示[J];燕山大学学报;2002年03期

3 刘俊峰;三维转动的四元数表述[J];大学物理;2004年04期

4 Wang Zhenhuan;Chen Xijun;Zeng Qingshuang;;Comparison of strapdown inertial navigation algorithm based on rotation vector and dual quaternion[J];Chinese Journal of Aeronautics;2013年02期

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本文编号：376638