基于MEMS的四旋翼飞行器通信与导航技术研究

发布时间：2017-07-15 10:11

  本文关键词：基于MEMS的四旋翼飞行器通信与导航技术研究

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【摘要】：随着四旋翼飞行器的逐渐普遍,它也逐渐受到人们的重视和青睐,并被广泛应用于各行各业。由于它的广泛应用,四旋翼飞行器的导航的准确度和控制的稳定性成了人们越来越看重的重要参数。传统的导航系统虽然可以应用于飞行器上,但是由于其设备复杂,受环境条件限制,而且只能用于有卫星信号的宽阔地带,这也限制了飞行器导航的进一步发展。随着微机电导航器件的应用越来越广泛,促使惯性导航系统进入人们的视野并逐渐被广泛应用。使得飞行器的能够更加小型化和应用领域更加广阔提供了可能。文中研究的主要是适用于室内和狭窄空间等没有GPS信号的地方的四旋翼飞行器的导航和通信。其设计采用集成有三轴加速度传感器和三轴陀螺仪的MEMS传感器MPU-6050作为惯性测量组件以及Arduino MEGA2560作为主控板进行数据运算融合和控制。为了使飞行器更加稳定,飞行系统通过MPU6050测量四旋翼飞行器三维空间的加速度和角速度,并通过HC-SR04超声波距离传感器模块测量机体离障碍物的距离并且使其保持一定的距离,并使用直流电机模块调节机翼的转速。程序设计上采用基于四元数的卡尔曼滤波和PID控制飞行器的姿态来调节,使其能够沿着预定的飞行路线平稳飞行。此外,基于以上算法,还在MATLAB中对SD卡中存储的数据进行相应的数据处理,验证了算法的有效性。文中设计的四旋翼小型飞行器具有诸多优点,比如体积小,结构简单,灵活性高和适应性强等,对于飞行器在导航方面所采用的算法,经过飞行器实际的运行结果以及经过MATLAB处理SD卡记录的数据之后都显示此算法的可行性。为进一步控制算法的改进和飞行器走向实用化做了尝试性实验,为下一步的工作奠定基础。
【关键词】：MEMS传感器 四旋翼飞行器 姿态解算 Arduino 导航
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V243
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-19
• 1.1 引言12-13
• 1.2 四旋翼飞行器的发展历史和国内外研究现状13-17
• 1.2.1 四旋翼飞行器的发展历史13-15
• 1.2.2 四旋翼飞行器的国内外研究现状15-17
• 1.3 四旋翼飞行器主要优点及其导航技术17-18
• 1.3.1 四旋翼飞行器主要优点17
• 1.3.2 四旋翼飞行器的导航技术17-18
• 1.4 本文研究的主要内容18-19
• 第2章 四旋翼飞行器飞控原理和导航理论基础19-32
• 2.1 四旋翼飞行器飞行原理19-22
• 2.2 四旋翼飞行器的姿态表示与描述22-28
• 2.2.1 坐标系定义22-23
• 2.2.2 姿态描述23-28
• 2.3 导航理论基础28-31
• 2.3.1 GPS导航系统28-29
• 2.3.2 惯性导航系统29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 四旋翼飞行器飞控的硬件方案设计32-51
• 3.1 姿态测量模块33-40
• 3.1.1 飞行姿态测量33-39
• 3.1.2 距离测量传感器39-40
• 3.2 通信模块40-42
• 3.2.1 通信模块简介40-41
• 3.2.2 通信模块原理41-42
• 3.3 主控模块42-46
• 3.3.1 微控制器简介43-44
• 3.3.2 数据存储介绍和操作44-46
• 3.4 电机驱动模块46
• 3.5 I2C和SPI通信协议介绍46-49
• 3.5.1 IIC通信协议46-48
• 3.5.2 SPI通信协议48-49
• 3.6 电源模块49-50
• 3.7 本章小结50-51
• 第4章 飞行姿态滤波和控制算法的设计51-61
• 4.1 信号预处理51-54
• 4.1.1 滤波51
• 4.1.2 卡尔曼滤波器设计51-54
• 4.2 四元数法及其姿态解算的算法实现54-56
• 4.3 PID控制算法的设计56-60
• 4.3.1 PID算法的原理56-59
• 4.3.2 四轴飞行器的PID调节原理59-60
• 4.4 本章小结60-61
• 第5章 系统软件设计与实验分析61-85
• 5.1 系统软件设计61-77
• 5.1.1 MPU6050的初始化设置与程序设计63-64
• 5.1.2 HMC5883L的初始化设置与程序设计64-66
• 5.1.3 距离传感器HC-SR04的初始化设置与程序设计66-67
• 5.1.4 卡尔曼滤波程序设计67-72
• 5.1.5 Micro-SD卡写数据程序设计72-74
• 5.1.6 PID控制和四元数算法的程序实现74-77
• 5.2 实验分析77-84
• 5.3 本章小结84-85
• 结论85-87
• 参考文献87-91
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果91-92
• 致谢92-93

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

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本文编号：543406