基于STM32的四旋翼直升机控制系统设计

发布时间：2017-06-29 00:08

  本文关键词：基于STM32的四旋翼直升机控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼直升机是一种结构紧凑，飞行机动方式独特的非线性强耦合直升机。由于其机动灵活，带载能力强，在军事和民用领域都具有巨大的应用潜力。但是四旋翼直升机具有欠驱动、难控制、多变量等控制特点，因此成为国内外控制领域研究的热点和难题。 本文根据四旋翼直升机的研究现状，分析了研究目的和意义，重点总结了当前国内外研究的方向和热点，简要概括了四旋翼直升机的发展现状。通过对四旋翼直升机构造和飞行机理的分析，建立了四旋翼直升机的动力学模型和电机的动力学模型，并对该模型进行了必要简化。 在数字滤波方面，卡尔曼滤波算法具有计算量和储存量“双小”的明显优势，且能够将多路航姿信号进行融合，得到航姿信号的最优解，使其成为航姿信号滤波的最佳选择。数据解算采用了计算简单，易于操作的四元素法，通过实验测试进一步验证了其可行性和可靠性。 在飞行控制方面，采用PID控制偏航角、俯仰角、滚转角、高度等航姿被控信号，使四旋翼直升机能够及时、准确的进行姿态调整，并通过仿真进行了验证。此外，本文设计了无刷直流电机的PID控制算法，仿真结果证明了其可靠性。 在实验平台的设计方面，选择了高性能、低成本和低功耗的STM32F103作为主控芯片，采用了国际主流的LSM303LHC、L3GD20和LPS331AP作为传感器，检测四旋翼直升机的三轴加速度和磁航行、三轴角速度、气压高度值等飞行姿态信号，为数字滤波、数据解算和飞行控制器提供可靠的状态变量。此外，设计了新西达2212的驱动模块。 最后，，通过实验测试，给出了四旋翼直升机的功能和相关参数，论证了所设计系统的可靠性、优越性。
【关键词】：四旋翼直升机 STM32F103 卡尔曼滤波 PID控制器 无刷直流电机
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V275.1;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 研究目的及意义8-10
• 1.2 研究方向及热点10
• 1.3 国内外发展现状10-12
• 1.4 论文结构安排12-14
• 2 四旋翼直升机动力学建模14-21
• 2.1 四旋翼直升机简介14
• 2.2 四旋翼直升机构造及其飞行机理14-17
• 2.3 四旋翼直升机的动力学模型17-21
• 2.3.1 四旋翼直升机空气动力学及其力矩模型17-18
• 2.3.2 四旋翼直升机电机动力学模型18-19
• 2.3.3 四旋翼直升机的模型简化19-21
• 3 四旋翼直升机控制算法设计21-38
• 3.1 数据滤波及其解算22-29
• 3.1.1 数据滤波22-26
• 3.1.2 数据解算26-28
• 3.1.3 滤波及其解算结果测试28-29
• 3.2 姿态、高度控制算法的选取29-31
• 3.3 直升机姿态控制算法设计31-32
• 3.3.1 俯仰、滚转角控制算法设计31
• 3.3.2 偏航角控制算法设计31-32
• 3.4 高度控制算法设计32-33
• 3.5 直升机控制算法仿真33-38
• 3.5.1 俯仰、滚转角控制仿真33-34
• 3.5.2 偏航角控制仿真34-36
• 3.5.3 高度控制仿真36-37
• 3.5.4 控制算法仿真总结37-38
• 4 无刷直流电机控制38-48
• 4.1 无刷直流电机的工作原理38-39
• 4.2 转子零初始位置检测39-41
• 4.3 电机的启动41-42
• 4.4 电机控制算法的实现42-46
• 4.4.1 PWM 转速控制42-44
• 4.4.2 电机转速计算44-45
• 4.4.3 电机的 PI 调节45-46
• 4.5 电机控制算法仿真46-48
• 5 四旋翼直升机实验平台设计48-60
• 5.1 四旋翼直升机主控模块设计48-51
• 5.1.1 主控芯片的设计48-49
• 5.1.2 系统保护电路设计49-50
• 5.1.3 传感器模块的设计50-51
• 5.2 电机驱动模块硬件电路设计51-58
• 5.2.1 电机及旋翼的选择51-53
• 5.2.2 电机驱动芯片选择53-54
• 5.2.3 电池电压、电流和换相检测电路54-58
• 5.3 系统程序设计58-60
• 5.3.1 IAR FOR ARM58
• 5.3.2 程序流程图58-60
• 6 实验调试和结果60-62
• 6.1 PWM 测试实验60-61
• 6.2 直升机的功能和相关参数61-62
• 7 结论与展望62-64
• 7.1 全文总结62
• 7.2 课题展望62-64
• 参考文献64-66
• 致谢66-67
• 附录一、主控板原理图67-68
• 附录二、传感器模块原理图68-69
• 附录三、电机调速模块原理图69-70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 朱战霞,袁建平;无人机编队飞行问题初探[J];飞行力学;2003年02期

2 刘乾;孙志锋;;基于ARM的四旋翼无人飞行器控制系统[J];机电工程;2011年10期

3 李劲松;宋立博;颜国正;;基于自适应逆控制方法的小型四旋翼无人直升机姿态控制[J];上海交通大学学报;2012年06期

4 唐强,朱志强,王建元;国外无人机自主飞行控制研究[J];系统工程与电子技术;2004年03期

  本文关键词：基于STM32的四旋翼直升机控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：495801