小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究

发布时间：2017-09-01 01:00

  本文关键词：小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究

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【摘要】：本文的主要内容是小型无人机自动驾驶仪的设计及其控制算法研究。相对于有人驾驶的飞机，无人机具有自动控制、远程遥控、自主飞行的能力，同时具有体积小、发射回收方便，机动性、灵活性好、对环境要求低、生存能力较强等优点。由于无人机无需机组人员驾驶，所以能执行更危险的任务，具有低廉的任务成本，，无人机得到广泛发展和应用。飞行控制系统是无人机系统的核心组成部分，承担着无人机自动控制、自主飞行任务。本文提出的自动驾驶仪主要强调作为飞行控制算法实验平台，采用双处理器的集成组合，为并行算法的设计实现提供了可能。 首先，介绍了当前无人机技术的发展现状，然后给出了无人机自动驾驶仪的总体结构，并设计了以ARM处理器和DSP控制器为核心，结合了陀螺仪、加速度计、GPS接收机、气压传感器、电子罗盘等传感器的无人机自动驾驶仪，完成了传感器的数据采集和多传感器的数据融合、与地面监控站的数据通信、多路控制信号输出和PWM输入信号捕获。 在无人机的控制中，姿态控制是实现自动飞行的关键技术，姿态解算也是该领域的重点、难点。本文给出了两种姿态解算的实现方法：方向余弦矩阵法和四元数解算方法。为了保证解算结果的稳定性和可靠性，引入了互补滤波理论，并编写相关程序在DSP+ARM自动驾驶仪上进行了实验。根据实验结果，证明了两种方法在姿态解算上的有效性和稳定性，并分析了二者在姿态解算性能上的特点。 针对先进控制算法运算量大，算法实现复杂，移植困难的问题，本文提出了自适应的滑模变结构控制，并给出了Lyapunov稳定性证明。和传统的滑模控制相比，自适应方法不需要获取具体的噪声和扰动的边界信息，只需要保证在理论上边界是存在的，通过自适应参数的变化来抵消噪声和扰动带来的影响。通过自适应策略，降低了算法的复杂度和运算量，易于在自动驾驶仪上进行移植。MATLAB仿真实验结果说明了自适应方法的正确性和有效性。 最后，对本文所做的工作进行了总结与展望，提出了今后研究工作的方向和问题，并展望了未来无人机及自动驾驶仪的发展前景。
【关键词】：自动驾驶仪 并行算法 ARM DSP 姿态解算 自适应 滑模控制
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279;TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 无人机的发展概述11-13
• 1.3 无人机自动驾驶仪的研究现状13-15
• 1.4 当前的无人机控制算法研究15-16
• 1.5 本文研究的主要内容16-17
• 1.6 本章小结17-18
• 第2章 无人机自动驾驶仪的总体设计18-26
• 2.1 无人机自驾仪的系统功能18
• 2.2 自动驾驶仪的构成要素18-23
• 2.2.1 惯性导航的原理19
• 2.2.2 惯性导航的元部件19-20
• 2.2.3 GPS 定位系统20-22
• 2.2.4 气压传感器22
• 2.2.5 电子罗盘22-23
• 2.3 自动驾驶仪的总体框架23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第3章 自动驾驶仪的详细设计26-46
• 3.1 自动驾驶仪的整体框图26
• 3.2 自动驾驶仪的硬件设计26-32
• 3.2.1 处理器与控制器27-28
• 3.2.2 惯性导航组合单元28-31
• 3.2.3 电源管理31-32
• 3.3 自动驾驶仪的软件设计32-45
• 3.3.1 ARM 软件设计32-41
• 3.3.2 DSP 软件设计41-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 姿态解算在自驾仪上的设计与实现46-62
• 4.1 常用坐标系和运动参数46-49
• 4.2 方向余弦矩阵法49-55
• 4.2.1 方向余弦矩阵的定义49
• 4.2.2 方向余弦矩阵的增量算式49-50
• 4.2.3 方向余弦矩阵的算法补偿和校正50-55
• 4.3 四元数求解法55-57
• 4.4 解算方法的软件实现与数据分析57-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第5章 滑模自适应控制算法研究62-81
• 5.1 无人机飞行控制系统的结构62
• 5.2 稳定的飞行控制算法-PID 控制62-64
• 5.3 基于滑模控制的自适应控制算法研究64-76
• 5.3.1 滑模控制算法64-67
• 5.3.2 自适应滑模控制算法研究67-70
• 5.3.3 选取的控制对象的模型70-72
• 5.3.4 滑模控制器的设计72-76
• 5.4 算法仿真与分析76-80
• 5.5 本章小结80-81
• 总结与展望81-83
• 参考文献83-87
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单87-88
• 致谢88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 甄云卉;路平;;无人机相关技术与发展趋势[J];兵工自动化;2009年01期

2 梁延德;程敏;何福本;李航;;基于互补滤波器的四旋翼飞行器姿态解算[J];传感器与微系统;2011年11期

3 陈谋,姜长生,梅蓉;最优滑模飞行控制系统的设计与仿真[J];电光与控制;2003年03期

4 王海斌;葛雪雁;宋玉珍;;无人机的发展趋势与技术预测[J];飞航导弹;2009年11期

5 王群;;无人作战飞机的特点和未来发展[J];国防科技;2011年01期

6 张荣辉;贾宏光;陈涛;张跃;;基于四元数法的捷联式惯性导航系统的姿态解算[J];光学精密工程;2008年10期

7 胡中华;赵敏;;无人机研究现状及发展趋势[J];航空科学技术;2009年04期

8 徐军,张明廉,屠巴宁;非线性动态逆系统在飞行控制系统应用中的几个问题研究[J];航空学报;1997年02期

9 李红增;;某飞翼无人机自适应滑模控制系统[J];火力与指挥控制;2008年11期

10 陶冶;房建成;盛蔚;;一种微小型无人机带死区变增益PID自适应控制器的设计与实现[J];自动化学报;2008年06期

本文编号：768957