四旋翼飞行器控制系统的设计和实现

发布时间：2017-05-21 07:49

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种能够垂直起降的多旋翼飞行器,它非常适合近地侦察、监视的任务,具有广泛的军事和民事应用前景。但是四旋翼飞行器控制难度较大,难点在于飞行器具有欠驱动、多变量等比较复杂的特性。因此四旋翼飞行器的建模与控制也成了控制领域的热点和难点。 本文基于小型四旋翼飞行器在国内外的研究现状,主要研究了四旋翼飞行器的主要分类、研究的领域、关键技术和应用的前景等。本文以实验室的小型四旋翼飞行器为实际对象,对四旋翼的建模和控制方法做了研究。本文根据对四旋翼飞行器的机架结构和动力学特性做详尽的分析和研究,在此基础上建立四旋翼飞行器的物理模型和动力学模型。四旋翼飞行器有各种的运行状态,比如：爬升、下降、悬停、滚转运动、俯仰运动、偏航运动等。本文采用牛顿-欧拉模型来描述四旋翼飞行器的飞行姿态。在上述研究和分析的基础上,进行飞行器的建模。四旋翼飞行器的建模分为对力学模型建模(电机、机架等),与动力学模型建模。力学模型通过测量和计算对实际的四旋翼飞行器建模。动力学建模是通过对飞行器的飞行原理和各种运动状态下的受力关系以及参考牛顿-欧拉模型建立仿真模型。 本文采用是PID控制,利用对动力学的分析,进行控制算法的设计。本文主要对四旋翼飞行器进行滚转角控制、俯仰角控制、偏航角的控制、以及高度控制,以及飞行加速度的控制。建立四旋翼飞行器的姿态控制系统与加速度的控制系统,验证控制方法和算法的可行性。 本文根据控制系统设计要求建立四旋翼飞行器的硬件控制平台。硬件平台主要包括惯性导航系统的姿态信息处理板和运行控制算法的主控板。惯性导航系统主要有陀螺传感器L3G4200D (?)(?)加速度计ADXL345以及高度计,还有主控芯片STM32,作为读取和写入姿态信息。运行算法的主控板,是由STM32和一些外围电路组成,用于运行控制算法和处理从惯性导航系统传输过来的姿态信息。通过调试控制算法,进行多次飞行试验,飞行器可以稳定的飞行。
【关键词】：四旋翼飞行器 PID控制 牛顿-欧拉模型 惯性导航系统
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 引言9-14
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.2.1 国外研究动态10-11
• 1.2.2 国内研究动态11-12
• 1.3 研究目标和内容12-13
• 1.3.1 研究目标12
• 1.3.2 研究内容12-13
• 1.4 论文结构安排13-14
• 第二章 四旋翼飞行器建模14-32
• 2.1 四旋翼飞行器介绍14-15
• 2.2 相关基础理论15-26
• 2.2.1 坐标系15-16
• 2.2.2 飞行器受力分析16-17
• 2.2.3 四旋翼飞行状态17-20
• 2.2.4 牛顿-欧拉模型20-26
• 2.3 四旋翼飞行器建模26-31
• 2.3.1 四旋翼飞行器力学建模26-29
• 2.3.2 四旋翼飞行器运动建模29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 四旋翼飞行器飞控系统设计32-42
• 3.1 飞控系统总体设计32-33
• 3.2 控制算法选取33-34
• 3.3 控制系统设计34-41
• 3.3.1 姿态角控制系统34-37
• 3.3.2 高度控制37-38
• 3.3.3 加速度控制38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 四旋翼飞行器飞控系统仿真42-51
• 4.1 仿真平台42
• 4.2 飞控系统的仿真42-49
• 4.2.1 姿态控制系统仿真43-45
• 4.2.2 高度控制系统仿真45-47
• 4.2.3 加速度控制系统仿真47-49
• 4.3 本章小结49-51
• 第五章 飞控系统硬件平台设计51-62
• 5.1 飞控硬件平台总体设计51-52
• 5.2 导航系统硬件设计52-58
• 5.2.1 陀螺传感器52-53
• 5.2.2 加速度计53-55
• 5.2.3 导航系统的误差分析55-56
• 5.2.4 误差消除方法56-58
• 5.3 主控电路板设计58-59
• 5.4 硬件平台电路板设计59-61
• 5.5 本章小结61-62
• 第六章 飞行器控制系统的实现62-76
• 6.1 飞行控制系统总体实现方案62-63
• 6.2 电机控制的实现63-68
• 6.2.1 转速控制量的实现63-65
• 6.2.2 PWM波调速65-68
• 6.3 惯性导航系统数据读写68-72
• 6.3.1 陀螺仪L3G4200D读写实现68-70
• 6.3.2 加速度计ADXL345读写数据70-72
• 6.4 飞行测试72-75
• 6.5 本章小结75-76
• 第七章 总结与展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-81
• 攻硕期间的研究成果81

【引证文献】

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1 白明达;;迷你六轴飞行器[J];工业控制计算机;2016年11期

2 谢景卫;柳文强;;高精度风力摆控制系统设计[J];电子科技;2016年11期

3 万云霞;许伦豹;胡龙;吴佳鑫;王言章;;基于Arduino的四旋翼飞行器控制系统设计[J];吉林大学学报(信息科学版);2015年04期

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

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本文编号：382959