四旋翼飞行器远程控制与跟踪系统设计

发布时间：2017-09-04 19:36

  本文关键词：四旋翼飞行器远程控制与跟踪系统设计

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【摘要】：四旋翼飞行器以其结构上的优势,易于控制算法的实现,近年来成为无人飞行器领域的研究热点。随着四旋翼飞行器硬件结构、姿态检测算法、控制器设计的成熟以及高效率电机和大容量动力电池的出现,四旋翼飞行器对远程飞行表现出越来越大的需求,但其传统通信数据链传输距离比较有限,且数据多采用单向传输。本文通过对现有四旋翼飞行器系统进行研究,将成熟的GSM移动通信网引入四旋翼飞行器控制系统,对其硬件及软件系统进行改造,并开发配套的手持嵌入式设备,以求实现对四旋翼飞行器的远程控制及位置跟踪。本文首先对四旋翼飞行器飞行原理及其动力学特性进行了简单分析,在此基础上完成了系统数学模型的建立,并基于经典PID控制为系统设计了串级PID控制器,搭建MATLAB/Simulink环境下系统仿真平台,验证了设计的控制算法的有效性。其次,选配各部分器件搭建了基于开源飞控板的硬件实物平台并完成了各部分的软件设计,通过引入GSM模块对系统控制信号输入方式进行了扩充改造,使系统控制方式能在航模遥控器和开发的手持设备之间切换,通过调试参数完成了对飞行器姿态的稳定控制,并在此基础上为飞行器设置了7种基本的飞行模式。随后,完成了手持远程控制与跟踪设备的硬件电路的设计和实物的焊接,为保证通信的准确性自定义了飞行器和手持设备之间信息传递的格式,并对两者的GPS坐标信息进行处理得到相对距离和方位,结合由手持设备惯性导航器件设计的三维电子指南针实现对四旋翼飞行器位置的实时跟踪,在μCGUI图形系统的支持下设计了美观实用的用户界面。对四旋翼飞行器和手持设备进行的联合测试表明,系统各部分能够正常运行,能够通过手持设备发送远程控制指令使飞行器完成预设的飞行模式,并能够接收到飞行器定期传回的位置信息实现对飞行器的位置跟踪。
【关键词】：四旋翼飞行器 串级PID GSM 远程控制跟踪 手持设备
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-13
• 1.1 课题研究的背景与意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.3 本文的主要工作和章节安排11-13
• 2 系统总体架构设计与功能模块硬件选型13-17
• 2.1 系统总体架构设计13-14
• 2.2 功能模块硬件选型14-16
• 2.2.1 GSM移动通信模块14-15
• 2.2.2 GPS定位导航模块15
• 2.2.3 捷联惯性导航模块15-16
• 2.3 本章小结16-17
• 3 四旋翼飞行器系统建模与仿真17-35
• 3.1 四旋翼飞行器的飞行原理17-20
• 3.2 四旋翼飞行器数学模型的建立20-26
• 3.2.1 坐标系和坐标转换矩阵建立20-22
• 3.2.2 系统数学模型的建立22-26
• 3.3 四旋翼飞行器控制算法设计与仿真26-34
• 3.3.1 四旋翼飞行器串级PID控制系统结构27
• 3.3.2 位置回路PID控制27-29
• 3.3.3 姿态回路积分分离PID控制29-31
• 3.3.4 MATLAB/Simulink仿真及结果分析31-34
• 3.4 本章小结34-35
• 4 四旋翼飞行器平台的设计与实现35-47
• 4.1 四旋翼飞行器系统硬件的设计35-37
• 4.2 四旋翼飞行器系统软件的设计37-44
• 4.2.1 主程序设计37-39
• 4.2.2 系统的初始化39-40
• 4.2.3 控制信号输入40-42
• 4.2.4 姿态解算设计42-43
• 4.2.5 姿态控制设计43-44
• 4.2.6 电机控制设计44
• 4.3 飞行控制实验与结果分析44-45
• 4.4 远程控制飞行模式设置45-46
• 4.5 本章小结46-47
• 5 手持远程控制与跟踪设备的开发设计47-66
• 5.1 手持设备功能与框架设计47-48
• 5.2 手持设备硬件电路设计48-52
• 5.2.1 主控制器选择及引脚分配48-49
• 5.2.2 系统电源管理电路49-50
• 5.2.3 方位姿态传感器外围电路设计50-51
• 5.2.4 手持设备实物焊接51-52
• 5.3 手持设备软件系统设计52-65
• 5.3.1 μCGUI的移植52-54
• 5.3.2 GPS数据解析及处理54-57
• 5.3.3 GSM通信系统设计57-60
• 5.3.4 三维电子指南针的设计60-62
• 5.3.5 用户界面的设计与功能测试62-65
• 5.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：793442