微型四轴飞行器设计及基于Kinect手势控制的实现

发布时间：2017-08-25 04:14

  本文关键词：微型四轴飞行器设计及基于Kinect手势控制的实现

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【摘要】：目前,无人飞行器广泛应用于军事、民用和科学研究等多个领域,和其他类飞行器相比,多旋翼飞行器具有操控简单、控制参数易调节、机械结构可靠等优势。而微型四轴飞行器以其独特的结构对称、控制灵活等特点受到人们的青睐。同时,随着人机交互技术的发展,手势控制成为了新型的控制方式。将手势控制与微型四轴飞行器系统相结合,能够实现对飞行器更加灵活、直观的控制。本文完成了基于ARM微控制器为核心的微型四轴飞行器控制系统的设计。在此基础上,完成了基于Kinect体感传感器手势识别的飞行器控制系统,实现了人体手势控制微型四轴飞行器。论文主要工作如下:(1)分析了四轴飞行器系统结构,系统的动力学模型及飞行器在三维空间中六个自由度的运动原理;分析了常用的姿态估计和PID算法。(2)设计了微型四轴飞行器系统的结构方案,以PCB板直接作为飞行器的机架,对硬件电路进行了设计。重点分析了微控制器电路、电源模块电路、惯性导航模块电路、电机驱动电路和无线通信模块电路。(3)根据设计的硬件电路完成了飞行器底层软件设计。实现了基于四元数互补滤波算法的飞行器姿态估计,解决了欧拉角法出现的奇点问题。同时使用了角度、角速度双环PID控制算法,解决了角度单环PID控制出现的飞行器漂移问题。最后,完成了各软件模块的联合调试。(4)实现了基于Kinect体感传感器手势识别系统的设计。完成了手势识别上位机软件的设计,同时与四轴飞行器系统结合,实现了对微型四轴飞行器手势的控制。在实地飞行测试过程中,手势识别上位机软件能够快速准确的对手势进行识别。四轴飞行器系统在接收到控制命令后,能够快速、准确的执行飞行指令。可见,本文设计的基于Kinect的手势识别的四轴飞行器控制系统,很好的实现了人与飞行器之间的良好交互,具有良好的应用前景。
【关键词】：微型四轴飞行器 PID控制 Kinect 手势控制
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279.2;TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题研究的背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 本文主要研究内容13-15
• 2 四轴飞行器工作原理及力学模型15-26
• 2.1 四轴飞行器系统结构15-17
• 2.1.1 基本结构15-16
• 2.1.2 飞行模式16-17
• 2.2 四轴飞行器动力学数学模型17-21
• 2.2.1 坐标系建立17-19
• 2.2.2 动力学模型19-21
• 2.3 四轴飞行器运动原理21-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 微型四轴飞行器设计方案26-37
• 3.1 系统总体设计方案26-27
• 3.2 硬件电路设计27-34
• 3.2.1 微控制器电路设计27-29
• 3.2.2 电源电路设计29-30
• 3.2.3 惯性测量模块电路设计30-32
• 3.2.4 电机驱动电路设计32-33
• 3.2.5 无线通信模块电路设计33-34
• 3.3 Kinect传感器接口电路设计34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 四轴飞行器姿态估计与控制算法研究37-47
• 4.1 四轴飞行器的姿态测量37-38
• 4.2 四轴飞行器姿态估计算法38-43
• 4.2.1 欧拉角姿态估计算法39-41
• 4.2.2 四元数姿态估计算法41-42
• 4.2.3 基于互补滤波器的四元数算法设计42-43
• 4.3 四轴飞行器PID算法43-46
• 4.3.1 PID控制器44-45
• 4.3.2 串级PID控制算法设计45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 5 微型四轴飞行器软件设计47-56
• 5.1 底层软件设计流程47-48
• 5.2 主要模块设计48-52
• 5.2.1 MPU6050传感器数据采集48-50
• 5.2.2 四元数法姿态估计子程序50
• 5.2.3 串级PID控制子程序50-52
• 5.3 基于Kinect手势识别控制的飞行器软件实现52-55
• 5.3.1 Kinect动作识别原理52-53
• 5.3.2 基于Kinect手势识别控制的实现53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 6 微型四轴飞行器系统调试与分析56-63
• 6.1 四轴飞行器系统调试56-60
• 6.1.1 硬件电路调试56-58
• 6.1.2 四轴飞行器底层软件系统调试58-60
• 6.2 基于Kinect手势控制四轴飞行器系统调试60-62
• 6.3 本章小结62-63
• 7 总结与展望63-65
• 7.1 总结63
• 7.2 展望63-65
• 参考文献65-68
• 个人简历与研究成果68-69
• 个人简历68
• 研究成果68-69
• 致谢69

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本文编号：734996