四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究

发布时间：2017-08-15 00:02

  本文关键词：四轴飞行器控制系统设计及其姿态解算和控制算法研究

  更多相关文章： 四轴飞行器 IIR低通滤波器 姿态解算 系统辨识 PID控制器

【摘要】：四轴飞行器是一种结构新颖,飞行方式独特,性能卓越的可垂直升降多旋翼飞行器,在近几年军用和民用无人机领域占据着越来越重要的地位。关于四轴飞行器的各方面研究工作也在近几年不断进行全面、深入的开展,本文从四轴飞行器基本原理到系统设计,再到姿态解算和控制进行了具体研究。首先,本文介绍了四轴飞行器研究现状及发展前景,并对四轴飞行器基本原理、飞行姿态的欧拉角和四元数姿态表示以及数学模型及其辨识方法进行了研究。根据四轴飞行器系统功能,设计了系统硬件电路原理图和PCB,并完成焊接、安装和调试,搭建了四轴飞行器硬件平台。其次,在MDK开发环境中,成功将uCOS-III操作系统移植到STM32主控芯片,并对各系统子任务进行设计。其中,对NRF24L01无线模块的双向通信以及系统内部串口通信任务进行了详细设计,开发了稳定的软件调试平台。在此基础之上,着重对MPU6050陀螺仪和加速度计信号噪声进行了研究和分析,运用MATLAB辅助设计了IIR低通滤波器有效滤除电机震动噪声。对互补滤波法、卡尔曼滤波法和四元数法姿态解算进行了研究和比较,最终采用MPU6050内部DMP解算作为本系统姿态解算主要方法。最后,对四轴飞行器实物进行了最小二乘法系统辨识实验,成功辨识了四轴飞行器姿态控制实际数学模型。针对该数学模型设计了PID姿态控制器,对系统稳定性和控制效果进行了理论分析与实际实验的交互研究。最终取得了良好的姿态控制效果,同时对本文的研究不足和缺点进行了反思和总结,提出了进一步研究工作的规划和展望。
【关键词】：四轴飞行器 IIR低通滤波器 姿态解算 系统辨识 PID控制器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.12
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 课题背景及研究意义10-12
• 1.1.1 四轴飞行器介绍11
• 1.1.2 发展前景及研究意义11-12
• 1.2 四轴飞行器国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-15
• 1.2.2 国内研究现状15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第二章 四轴飞行器工作原理及数学模型17-33
• 2.1 四轴飞行器基本结构及飞行原理17-22
• 2.1.1 坐标系的建立17-19
• 2.1.2 飞行原理19-22
• 2.2 飞行姿态的表示和运算22-25
• 2.2.1 欧拉角法23-24
• 2.2.2 四元数法24-25
• 2.3 四轴飞行器数学模型机理分析25-29
• 2.3.1 四轴飞行器外力平衡方程25-26
• 2.3.2 四轴飞行器外力矩平衡方程26-28
• 2.3.3 四轴飞行器动力学模型28-29
• 2.4 四轴飞行器数学模型系统辨识29-32
• 2.4.1 系统辨识基本原理29-30
• 2.4.2 批处理最小二乘法（LS）30
• 2.4.3 递推最小二乘法（RLS）30-31
• 2.4.4 遗忘因子递推最小二乘法（FFRLS）31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第三章 四轴飞行器硬件系统设计33-45
• 3.1 整体结构设计33
• 3.2 主要功能分析及器件选型33-37
• 3.2.1 主控器34
• 3.2.2 无线通讯34-35
• 3.2.3 姿态数据采集35-37
• 3.3 系统硬件电路设计37-44
• 3.3.1 遥控器系统硬件设计37-41
• 3.3.2 机体系统硬件设计41-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 四轴飞行器系统软件设计45-54
• 4.1 系统软件总体设计45-47
• 4.1.1 MDK开发工具简介45
• 4.1.2 uCOS-III操作系统简介45
• 4.1.3 各子系统任务设计45-47
• 4.1.4 系统整体软件功能47
• 4.2 无线通信任务设计47-49
• 4.3 串口通信任务设计49-51
• 4.3.1 串口数据接收50-51
• 4.3.2 串口数据发送51
• 4.4 其它任务设计及系统中断51-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 四轴飞行器姿态解算54-74
• 5.1 姿态信号检测及分析54-58
• 5.1.1 陀螺仪信号检测及分析54-56
• 5.1.2 加速度计信号检测56-58
• 5.2 姿态信号滤波58-63
• 5.2.1 常用简单数字滤波方法58-59
• 5.2.2 IIR低通滤波器59-61
• 5.2.3 IIR滤波器MATLAB辅助设计61-63
• 5.3 姿态解算63-73
• 5.3.1 互补滤波姿态解算64-66
• 5.3.2 卡尔曼滤波姿态解算66-69
• 5.3.3 四元素姿态解算69-71
• 5.3.4 MPU6050内部DMP姿态解算71-73
• 5.4 本章小结73-74
• 第六章 四轴飞行器控制算法研究74-88
• 6.1 四轴飞行器模型参数系统辨识74-79
• 6.1.1 辨识目的及先验知识75
• 6.1.2 实验设计75-76
• 6.1.3 输入/输出数据采集与处理76-77
• 6.1.4 模型结构选取与辨识77-78
• 6.1.5 模型参数辨识78-79
• 6.2 四轴飞行器PID控制算法研究79-86
• 6.2.1 PID概述79-80
• 6.2.2 四轴飞行器PID控制器设计80-81
• 6.2.3 四轴飞行器PID参数整定81-86
• 6.3 系统调试及结果分析86-87
• 6.4 本章小结87-88
• 第七章 总结与展望88-89
• 致谢89-90
• 参考文献90-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 黄晓英;傅士冀;陈俊;曹作群;;去极值平均滤波技术在智能微欧电阻校准仪中的应用[J];电测与仪表;2011年09期

2 岳基隆;张庆杰;朱华勇;;微小型四旋翼无人机研究进展及关键技术浅析[J];电光与控制;2010年10期

3 孙冬梅;田增山;韩令军;;捷联惯导系统中四元素法求解姿态角仿真模拟[J];弹箭与制导学报;2009年01期

4 茶国智;;单片机和数据采集系统的电源模块设计[J];电脑知识与技术(学术交流);2007年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 宋迎春;动态定位中的卡尔曼滤波研究[D];中南大学;2006年

，

本文编号：675312