四旋翼直升机硬件设计与姿态、巡航控制算法实现

发布时间：2017-08-20 19:19

  本文关键词：四旋翼直升机硬件设计与姿态、巡航控制算法实现

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【摘要】：近年来随着电子技术、微机电与微惯导的迅速发展,无人机技术得到了迅速发展。四旋翼直升机系统融合了刚体动力学、自动控制、多传感器数据融合、电子与通信等多门学科和技术,成为一个研究热点。四旋翼直升机凭借低速飞行,定点悬停,飞行灵活等诸多优点,广泛的应用于军事与民事各领域。论文搭建了四旋翼直升机机械结构平台,设计并制作了主控制系统与电机调速控制系统的硬件电路,围绕四旋翼直升机姿态、巡航的控制算法开展研究,针对驱动电机与控制系统,完成了电机的启动、换相与姿态角解算、控制算法,完成论文的目的。主要工作如下：1.搭建四旋翼直升机机械平台,选配测量传感器,包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、气压计、磁力计、GPS及无线调参串口,完成了主控制系统与传感器硬件电路设计。2.分析无刷无感直流电机的电磁特性,设计六臂全桥驱动电路、MOS管导通检测电路、电机相线分压检测电路与中点电压检测电路,完成电机启动算法与反电动势换相算法,实现了电机调速控制。3.设计四元素互补滤波算法对系统进行姿态角解算,分别完成单环PID、串级PID控制算法与巡航控制算法,其中串级PID采用的是外环角度PI、内环角速度PID,经参数整定后实现四旋翼直升机姿态、巡航控制。在系统调试中,解决了传感器信息预处理、姿态数据干扰的去除、控制周期的优化、PID参数的整定等问题。特别是针对电机高转速下姿态数据干扰的去除,设计了滑动滤波器与卡尔曼滤波器结合的处理算法,获得很好的效果。实测结果,该四旋翼直升机完成了姿态角平稳控制与巡航飞行。
【关键词】：四旋翼直升机 电机启动换相 四元素姿态解算 PID控制 巡航
【学位授予单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 背景研究意义与现状11-14
• 1.1.1 课题背景意义11
• 1.1.2 四旋翼直升机研究现状11-14
• 1.1.3 无刷无感直流电机研究背景意义14
• 1.2 论文的内容安排14-15
• 第二章 控制系统硬件电路及机械结构设计15-26
• 2.1 硬件电路设计15-17
• 2.1.1 主控芯片的选取15-16
• 2.1.2 下载电路设计16-17
• 2.2 传感器的配置17-24
• 2.2.1 MPU6050的配置18-19
• 2.2.2 HMC5883L的配置19
• 2.2.3 气压计的配置19-21
• 2.2.4 GPS的配置21-22
• 2.2.5 无线遥控器与接收机的配置22-23
• 2.2.6 无线串口发射与接收23-24
• 2.3 机械结构设计24-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 无刷无感直流电机调速电路设计26-38
• 3.1 无刷无感直流电机调速电路硬件设计28-34
• 3.1.1 无刷无感直流电机换相分析28-30
• 3.1.2 六臂全桥电路设计30-32
• 3.1.3 电流检测电路32-33
• 3.1.4 反电动势过零检测电路33-34
• 3.2 无刷无感直流电机调速系统软件算法实现34-37
• 3.2.1 无刷无感直流电机启动算法实现34-35
• 3.2.2 无刷无感直流电机换相算法实现35-37
• 3.3 本章小结37-38
• 第四章 四旋翼直升机控制系统算法实现38-51
• 4.1 四旋翼直升机姿态角解算38-43
• 4.1.1 MPU6050数据预处理38-39
• 4.1.2 HMC5883L数据校准39-40
• 4.1.3 四元素姿态角解算40-43
• 4.2 悬停稳定算法设计与实现43-48
• 4.2.1 单环PID控制43-46
• 4.2.2 串级PID控制46-48
• 4.3 巡航算法设计与实现48-50
• 4.3.1 GPS语句解析48-49
• 4.3.2 巡航姿态角的计算49-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 系统调试与测试51-63
• 5.1 编译系统的选择与搭建51-53
• 5.1.1 主控制系统程序的编译与下载51-53
• 5.1.2 电机调速系统程序的编译与下载53
• 5.2 调参上位机的选择与应用53-56
• 5.2.1 下位机传参与显示53-54
• 5.2.2 上位机传参与发送54-56
• 5.3 调试平台的搭建56-57
• 5.4 数据干扰的滤除57-61
• 5.4.1 软件方面的处理57-60
• 5.4.2 硬件方面的处理60-61
• 5.5 控制周期的优化61
• 5.6 PID参数调试61-62
• 5.7 本章小结62-63
• 第六章 总结与展望63-65
• 6.1 总结63-64
• 6.2 展望64-65
• 参考文献65-69
• 致谢69-70
• 读研期间发表的论文70
• 读研期间参加的科研项目70-71
• 附录71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：708341