基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术研究

发布时间：2017-07-20 23:15

  本文关键词：基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术研究

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【摘要】：四旋翼飞行器凭借其体积小、重量轻、操作性好、可垂直起降和定点悬停等优势,在军事、民用和科技领域发挥着越来越重要的作用。四旋翼飞行器导航控制系统的设计是实现其自主飞行的关键,对四旋翼飞行器导航控制系统的研究具有重要的理论和工程应用价值。为了更好的对四旋翼飞行器的导航控制系统展开研究,消除传统的机载传感器设备对飞行器导航控制系统在实飞环境下的性能测试和评估带来的影响。本文引入运动捕捉系统,基于此搭建相应的测试平台,对四旋翼飞行器的导航控制系统展开研究。首先,本文在调研和分析基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术的研究现状和关键技术的基础上,选取了一种通用的四旋翼飞行器为研究对象,对四旋翼飞行器的结构组成和运动机理进行了分析,采用牛顿-欧拉法完成了飞行器动力学模型的建立。其次,基于建立的四旋翼飞行器的动力学模型,分别采用改进PID和反步法对四旋翼飞行器的控制系统进行了设计,Matlab/Simulink环境下的悬停测试和追踪性能测试的仿真结果表明了所设计的控制器的有效性和正确性。再次,引入运动捕捉系统,对运动捕捉系统的运行机理进行了分析,研究了一种运动捕捉系统下飞行器导航信息的获取方法并进行了实验验证,实验结果证明了该方法的可行性和获取的导航数据的正确性。基于VS 2008开发工具设计并开发了配套的地面站软件系统,定义了相应的数据传输协议,完成了四旋翼飞行器测试平台的搭建。最后,根据四旋翼飞行器导航控制系统的设计要求,对四旋翼飞行器的导航控制系统进行了软硬件设计。在搭建的飞行器测试平台下,利用设计的导航控制系统进行了实际的飞行实验。实验结果表明,设计的导航控制系统的各个硬件模块均能正常工作,满足系统在体积、重量、功耗和稳定性等方面的要求;设计的软件的流程和架构合理可行,可靠性高;设计的地面站系统能够很好的完成数据的接收、处理、显示、存储和发送等全部功能,与运动捕捉系统和飞行器间的配合良好,能够满足飞行器实际飞行测试的需求;设计的控制器能够很好的完成对四旋翼飞行器的位置和姿态控制,具有较好的控制效果。
【关键词】：运动捕捉系统 四旋翼飞行器 导航控制系统 动力学建模 改进PID 反步法 地面站 测试平台
【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】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-15
• 缩略词15-16
• 第一章 绪论16-26
• 1.1 课题研究的背景与意义16-17
• 1.2 四旋翼飞行器研究中的关键技术17-18
• 1.2.1 四旋翼飞行器关键技术分析17-18
• 1.2.2 运动捕捉系统在四旋翼飞行器研究中的应用18
• 1.3 基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术研究现状18-24
• 1.4 本文的研究内容和章节安排24-26
• 1.4.1 研究目标24
• 1.4.2 研究内容和章节安排24-26
• 第二章 四旋翼飞行器的机理分析与建模26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 四旋翼飞行器的组成和结构配置26-27
• 2.3 四旋翼飞行器的运动机理分析27-29
• 2.4 四旋翼飞行器牛顿-欧拉法建模29-36
• 2.4.1 坐标系定义和转换关系30-31
• 2.4.2 建模前的基本假设31-32
• 2.4.3 动力学模型的建立32-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 四旋翼飞行器控制系统设计与仿真37-52
• 3.1 引言37
• 3.2 飞行器控制系统的组成和总体结构37
• 3.3 飞行器控制系统设计的限制因素和注意事项分析37-38
• 3.4 基于改进PID的飞行器控制系统设计38-42
• 3.4.1 基于改进PID的姿态控制器设计39-40
• 3.4.2 基于改进PID的位置控制器设计40-42
• 3.5 基于反步法的飞行器控制系统设计42-45
• 3.5.1 基于反步法的姿态控制器设计43-44
• 3.5.2 基于反步法的位置控制器设计44-45
• 3.6 四旋翼飞行器控制系统仿真与分析45-51
• 3.7 本章小结51-52
• 第四章 基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器测试平台搭建52-66
• 4.1 引言52
• 4.2 飞行器测试平台搭建及说明52-53
• 4.2.1 飞行器测试平台的总体结构52-53
• 4.2.2 飞行器测试平台的研究意义53
• 4.3 测试平台运动捕捉系统的设计与实现53-61
• 4.3.1 运动捕捉系统设计与搭建53-56
• 4.3.2 运动捕捉系统下导航信息的获取算法56-57
• 4.3.3 运动捕捉系统下导航信息获取算法的分析与验证57-61
• 4.4 测试平台地面站软件的设计与开发61-65
• 4.4.1 地面站软件的设计要求和思路61-62
• 4.4.2 地面站软件的功能设计和工作流程62-64
• 4.4.3 地面站软件设计中的关键技术64-65
• 4.5 本章小结65-66
• 第五章 四旋翼飞行器导航控制系统的软硬件设计与飞行实验66-83
• 5.1 引言66
• 5.2 四旋翼飞行器导航控制系统的架构66-67
• 5.3 四旋翼飞行器导航控制系统的软硬件设计67-75
• 5.3.1 导航控制系统设计要求67-68
• 5.3.2 导航控制系统硬件设计68-70
• 5.3.3 导航控制系统软件设计70-75
• 5.4 基于测试平台的四旋翼飞行器飞行实验75-81
• 5.4.1 四旋翼飞行器静态实验75-77
• 5.4.2 四旋翼飞行器悬停实验77-79
• 5.4.2 四旋翼飞行器航路点追踪实验79-81
• 5.5 本章小结81-83
• 第六章 总结与展望83-85
• 6.1 本文工作总结83-84
• 6.2 进一步工作展望84-85
• 参考文献85-90
• 致谢90-91
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文91

【参考文献】

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本文编号：570454