具有自复位能力的四旋翼飞行器机构设计及控制方法研究

发布时间：2017-09-08 03:25

  本文关键词：具有自复位能力的四旋翼飞行器机构设计及控制方法研究

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【摘要】：无人飞行器在多种领域中有着广泛的应用,诸如灾后搜救、星球探索、军事侦察、环境探测以及影视制作等。四旋翼飞行器是无人飞行器中的一个重要分支,其优点主要包括体积小、重量轻、结构简单、性能可靠、控制灵活以及飞行性能稳定等。简单的结构、卓越的飞行性能以及独特的飞行控制方式使得四旋翼飞行器能够适应更为复杂的环境、应用于更多领域。然而传统四旋翼飞行器的研究侧重于避障的设计,无法解决飞行器意外坠落导致飞行器倾覆而无法继续飞行的问题。针对四旋翼飞行器平台,本文提出一种新颖的保护和复位机构设计方法和相应的控制策略,将传统的避撞型飞行器向新型的耐撞型飞行器转变,解决了普通四旋翼飞行器在倾覆状态下无法起飞的难题,大大地提高了四旋翼飞行器执行任务的能力。本文设计了一种具有自复位能力的四旋翼飞行器,飞行器的主体机身大小为29.5cm × 29.5 cm × 26 cm,重345g。在机身的上方由碳纤维杆形成弧形保护笼架,自复位机构对称安装于机身两侧。自复位机构主要包括一对长28.8cm的导臂以及一对直流减速电机。四旋翼飞行器以Atmega328P为主控芯片的控制板为飞行控制中心,MPU6050为姿态解算单元,CC2530模块为无线通信单元,基于ZigBee协议栈实现飞行器与网关的无线通信与数据传输,从而实现对飞行器的远程控制。飞行器利用姿态解算单元能够实时检测飞行器姿态,当检测到飞行器处于倾覆状态,则启动自复位机构,利用导臂实现飞行器的翻滚运动,达到飞行器从倾覆状态到正立起飞状态的自复位。针对自复位失败的情况,本文设计了人工干预复位功能,通过上位机远程发送命令形式控制自复位机构运动。最后对四旋翼飞行器的基本性能进行了试验研究。该飞行器能够通过远程控制实现起飞、悬停、降落基本飞行动作,并且能够实现远程传感器数据采集。飞行器能够根据姿态检测结果判断飞行器是否倾覆并能够判断倾覆面,根据不同的倾覆面启动相应的自复位方案。飞行器自复位机构能够完成在水平地面上以及倾斜角度在10。以内的斜坡上的自复位运动。人工干预复位能够完成飞行器落于拐角中的复位运动。
【关键词】：四旋翼飞行器 自复位 姿态解析 受力分析 ZigBee
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 引言8
• 1.2 四旋翼飞行器发展概述8-13
• 1.3 本文主要研究内容13-16
• 1.3.1 研究背景和意义13-14
• 1.3.2 本文的主要工作14
• 1.3.3 内容安排14-15
• 1.3.4 项目支持15-16
• 第二章 飞行器的系统模型及机构设计16-30
• 2.1 四旋翼飞行器工作原理与动力学建模16-23
• 2.1.1 飞行原理16-17
• 2.1.2 飞行器姿态表示17-20
• 2.1.3 动力学建模20-23
• 2.2 飞行器机构设计23-29
• 2.2.1 飞行器整体构架23
• 2.2.2 自复位机构设计23-24
• 2.2.3 翻滚复位运动方案分析24-25
• 2.2.4 水平地面自复位运动受力分析25-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 飞行器控制系统设计30-47
• 3.1 飞行器系统整体架构30
• 3.2 飞行器硬件平台搭建30-36
• 3.2.1 飞行控制模块31-32
• 3.2.2 动力模块32-33
• 3.2.3 无线通信模块33-35
• 3.2.4 自复位功能模块35-36
• 3.2.5 电源模块36
• 3.3 下位机软件设计36-44
• 3.3.1 飞行控制36
• 3.3.2 倾覆姿态检测36-40
• 3.3.3 自复位控制40-41
• 3.3.4 基于ZigBee协议栈的网络组建41-43
• 3.3.5 基于ZigBee协议栈的数据传输43-44
• 3.4 上位机软件设计44-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 四旋翼飞行器基本性能测试研究47-59
• 4.1 飞行器基本飞行动作测试47
• 4.2 飞行器自复位能力测试47-56
• 4.2.1 姿态角测量48-50
• 4.2.2 自复位性能试验50-56
• 4.3 人工干预复位性能试验56-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 总结与展望59-60
• 5.1 本文工作总结59
• 5.2 未来工作展望59-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64
• 攻读硕士学位期间的科研成果64

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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：811601