球形无人飞行器控制器研究与设计

发布时间：2017-08-19 00:22

  本文关键词：球形无人飞行器控制器研究与设计

  更多相关文章： 球形无人机 飞行控制系统 自抗扰控制器 MEMS传感器 卡尔曼滤波

【摘要】：无人机在军事和民用领域均发挥着非常重要的作用。相比于其他种类的无人机,球形无人机以其结构优势正成为研究热点,飞行控制系统则一直是无人机设计的核心部分,基于高性能ARM处理器与MEMS传感器的飞行控制系统设计符合飞行控制系统体积小、集成度高、控制精准、功耗低的要求。本文针对一款球形无人机提出了一套基于嵌入式处理器与MEMS传感器的飞行控制系统设计方案。首先,本文分析了自抗扰控制器的各个组成部分及其实现原理,设计了球形无人机上升速度通道与俯仰角通道的自抗扰控制器,并与PID控制器进行对比分析,结果表明自抗扰控制器拥有更好的性能。其次,本文根据球形无人机飞行控制系统的设计要求,设计了STM32F407核心控制器、MEMS传感器、电机驱动、超声波传感器、无线通讯等模块的硬件电路,完成了电路板设计与制作。然后在硬件设计的基础上,针对各个功能模块,设计了系统初始化、传感器数据采集、无线通讯、电机驱动等功能模块的软件,并给出了相应的流程图。最后,本文进行了传感器数据采集实验,完成了陀螺仪与加速度计两种传感器的数据解析,之后应用卡尔曼滤波算法对数据进行滤波降噪处理,得到更为平滑准确的数据,并改进与应用一种常用的数据融合方法实现更加精确的姿态角解算。此外,本文还进行了室内和户外两种环境下的飞行实验。实验结果表明,本文介绍的飞行控制系统设计合理,具有很好的实用性与通用性,基本符合预期目标。
【关键词】：球形无人机 飞行控制系统 自抗扰控制器 MEMS传感器 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-20
• 1.1 课题研究背景和意义10-11
• 1.2 无人机定义11-12
• 1.3 无人机分类12-13
• 1.4 无人机国内外研究现状13-15
• 1.4.1 无人机国外研究现状13-14
• 1.4.2 无人机国内研究现状14-15
• 1.5 飞行控制系统研究现状15-18
• 1.5.1 飞行控制系统国外研究现状16-17
• 1.5.2 飞行控制系统国内研究现状17-18
• 1.6 论文主要内容与结构安排18-20
• 1.6.1 论文主要内容18-19
• 1.6.2 论文结构安排19-20
• 第2章 球形无人机工作原理和飞行控制系统20-26
• 2.1 基本结构20-21
• 2.2 基本概念21-22
• 2.3 气动特性建模22-23
• 2.4 飞行控制系统23-24
• 2.4.1 飞行控制系统的基本构成23-24
• 2.4.2 飞行控制系统的性能指标24
• 2.5 本章小结24-26
• 第3章 基于自抗扰控制算法的球形无人机控制器26-34
• 3.1 自抗扰控制器的结构26-29
• 3.1.1 跟踪微分器27-28
• 3.1.2 扩展状态观测器28-29
• 3.1.3 非线性反馈控制率29
• 3.2 自抗扰控制器的设计29-31
• 3.3 自抗扰控制器仿真结果31-33
• 3.4 本章小结33-34
• 第4章 球形无人机飞行控制系统设计34-58
• 4.1 飞行控制系统硬件设计34-49
• 4.1.1 硬件设计指标34-35
• 4.1.2 飞行控制系统硬件平台搭建35-36
• 4.1.3 基于STM32F407VGT6的最小系统设计36-38
• 4.1.4 电机驱动电路设计38-40
• 4.1.5 传感器电路设计40-46
• 4.1.6 超声波传感器与电路设计46
• 4.1.7 Futuba无线通讯模块46-48
• 4.1.8 电路组装图48-49
• 4.2 飞行控制系统软件设计49-56
• 4.2.1 系统软件主要功能及流程图50-51
• 4.2.2 初始化与主程序设计51-52
• 4.2.3 陀螺仪数据采集52-53
• 4.2.4 加速度计数据采集53-54
• 4.2.5 超声波传感器数据采集54-55
• 4.2.6 与Futaba R6014HS接收机通信55
• 4.2.7 PWM信号产生55-56
• 4.3 本章总结56-58
• 第5章 姿态传感器数据处理与飞行实验58-74
• 5.1 姿态传感器数据采集58-60
• 5.2 陀螺仪数据解析60-62
• 5.3 加速度计数据解析62-63
• 5.4 传感器数据滤波处理63-68
• 5.4.1 陀螺仪数据卡尔曼滤波处理64-66
• 5.4.3 加速度计数据卡尔曼滤波处理66-68
• 5.5 传感器数据融合处理68-71
• 5.6 球形无人机飞行测试71-72
• 5.7 本章小结72-74
• 总结与展望74-76
• 参考文献76-80
• 附录80-82
• 附录1 传感器数据采集程序80-81
• 附录2 加速度计数据解析程序81-82
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单82-84
• 致谢84

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本文编号：697625