小型四旋翼飞行器导航控制系统的设计与研究

发布时间：2017-09-14 05:27

  本文关键词：小型四旋翼飞行器导航控制系统的设计与研究

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【摘要】：小型四旋翼飞行器是一种多旋翼式无人飞行器,相比于其他类型飞行器其具有结构简单、起降所需的空间较小,在复杂环境下具有较高机动性等特点和优势,非常适合在室内和城区等近地面环境及较危险环境下代替人类执行侦察监视任务,被广泛的应用于军事和民用领域中,成为近年来研究热点,受到了人们的极大的关注。本设计以小型四旋翼飞行器为研究对象,首先对其飞行原理进行分析,结合惯性坐标系和机体坐标系得出了其转换关系,根据牛顿定律和力矩平衡原理对飞行器建立了精确数学模型。然后根据四旋翼飞行器的结构特点,分别对主控制中心的飞控板,电机驱动模块以及电源模块进行硬件选型和设计,其中对主控制系统分为MCU芯片,姿态传感器模块和无线通信模块分别进行了详细的板级设计介绍,搭建起了实用可靠的硬件实验平台。接下来对飞行器的核心导航控制器进行重点讨论,针对飞行器在复杂环境中稳定飞行的问题,基于多传感器融合滤波技术,本课题设计了一个高效的导航控制器。在传统四元数法基础上设计了一种自补偿法进行姿态解算,由于传感器采集的姿态角等数据包含噪声和误差积累,因此设计了有效的滤波器来进行多传感器的数据融合,通过对比,最终采用的Kalman滤波算法相比于互补滤波器拥有更强大的抗干扰能力和更优的稳定性,在飞行器控制算法的讨论上,对变结构滑膜控制进行了介绍然后重点研究了更适合本文设计的小型飞行控制系统的PID控制器,设计了结合姿态角和高度信息的双闭环控制方法,并得到有效验证。最后介绍了本设计的软件系统以及实地飞行试验,对整个控制系统的嵌入式软件流程进行分析与设计,结合实际飞行器的情况对系统进行联合调试并进行了飞行试验,列出了飞行调试中各个步骤和注意事项,通过反馈回上位机姿态角等参数进行观测分析,最终通过试验验证,基本达到了预定的飞行效果。
【关键词】：四旋翼飞行器 坐标系转换 姿态解算 多传感器数据融合 PID控制
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 相关问题研究现状12-17
• 1.2.1 四旋翼飞行器国内外研究现状13-16
• 1.2.2 导航控制技术发展概况16-17
• 1.3 本文主要研究内容和章节安排17-19
• 第二章 飞行控制原理及建模19-31
• 2.1 四旋翼飞行器结构简介19
• 2.2 四旋翼飞行器飞行原理介绍19-22
• 2.3 坐标系建立及转换22-26
• 2.3.1 惯性直角坐标系22-23
• 2.3.2 机体坐标系23-24
• 2.3.3 坐标系间转换及姿态转换矩阵24-26
• 2.4 四旋翼飞行器动力学建模26-30
• 2.4.1 力平衡方程26-28
• 2.4.2 力矩平衡方程28-29
• 2.4.3 飞行器总动力学模型29-30
• 2.4.4 总体模型仿真参数30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 四旋翼飞行器实验平台设计31-45
• 3.1 四旋翼飞行器整体架构设计31-32
• 3.2 主控制系统硬件设计32-40
• 3.2.1 飞控板总体设计32-34
• 3.2.2 MCU主控制芯片设计34-36
• 3.2.3 姿态传感器模块硬件设计36-39
• 3.2.4 无线通讯模块硬件设计39-40
• 3.3 电机驱动模块硬件设计40-42
• 3.4 电源模块硬件设计42-43
• 3.5 本章小结43-45
• 第四章 基于多传感器数据融合的导航控制器设计45-63
• 4.1 姿态解算算法研究45-50
• 4.1.1 四元数法姿态解算45-48
• 4.1.2 自补偿姿态解算算法研究48-49
• 4.1.3 姿态解算方法实验对比分析49-50
• 4.2 滤波算法及数据融合50-55
• 4.2.1 补滤波器及数据融合51-52
• 4.2.2 Kalman滤波器设计及数据融合52-54
• 4.2.3 滤波方法总结及实验对比分析54-55
• 4.3 控制方法研究55-62
• 4.3.1 滑模变结构控制方法研究55-57
• 4.3.2 PID控制器设计及参数整定57-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第五章 软件系统设计及飞行试验63-69
• 5.1 软件系统总体框架设计63-64
• 5.2 软件系统具体流程设计64-66
• 5.3 系统参数调试与飞行试验66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69-70
• 6.2 展望70-71
• 参考文献71-75
• 致谢75-76
• 学位论文评阅及答辩情况表76

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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

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本文编号：848147