四旋翼飞行器姿态控制系统的研究

发布时间：2017-09-15 17:08

  本文关键词：四旋翼飞行器姿态控制系统的研究

  更多相关文章： 姿态控制 IMU STM32 卡尔曼滤波 PID控制算法

【摘要】：近年来,随着微机电系统(MEMS)技术的发展,飞行器技术取得了巨大的进步,且在民用和军事领域都得到了广泛的应用。四旋翼飞行器是一种配有4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。与传统的直升机不同,四旋翼飞行器只能通过改变螺旋桨的速度来实现各种动作。由于它是一种六自由度的垂直起降机,非常适合静态和准静态条件下飞行,因此研究四旋翼飞行器具有重要的实际意义。作为典型的非线性系统,飞行器的姿态控制一直是研究热点和难点。本文结合微电子技术和经典滤波理论,研究并设计了一种四旋翼飞行器的姿态控制系统,主要由系统的软硬件设计和姿态算法组成。在硬件设计方面,系统的硬件平台采用模块化设计,分别为传感器模块,电源管理模块,控制器模块,串口通信模块,遥控控制模块。传感器模块由三只MEMS传感器组成,分别为加速度计和陀螺仪、数字罗盘、气压计,它们负责采集飞行器的姿态数据,并通过12C总线将数据传送到控制器模块；控制器模块是整个系统的核心,负责数据的处理、算法的运行以及协调控制各个模块；串口通信模块主要用来与上位机通信,在静止状态下对飞行器进行调试；遥控控制模块通过RC接口,发送遥控信号给控制器；电源管理模块包含一块标称11.1V的航模电池,以及电源转换电路,整个系统在飞行过程中均由电源管理模块供电。在软件设计方面,同样基于模块化的思想,将系统的软件设计分解为四个主要的模块,分别为：系统初始化模块、数据通信模块、数据采集与处理模块、姿态控制模块。系统的初始化模块是对控制器的各个外设、通信协议及控制算法的参数等进行初始化；数据通信模块主要实现各部分之间的数据传输,包括遥控器的无线通信,传感器的12C通信以及上位机的串口通信；数据采集与处理模块主要完成对加速度计、陀螺仪、数字罗盘以及气压计检测的数据进行采集和处理；姿态控制模块根据采集到的姿态数据,运行姿态控制算法,计算各个通道控制量的值,并将这信号传送给电机驱动器来改变电机转速。在姿态算法方面,分别介绍了卡尔曼滤波(Kalman Filter)和扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter);建立了系统的传感器测量模型和动力学模型,在此基础上对这两种算法进行仿真分析,实验数据表明,扩展卡尔曼滤波算法的收敛速度更快,误差更小,鲁棒性更好,因此最终采用扩展卡尔曼滤波实现姿态数据的融合。同时,基于飞行器姿态控制系统的硬件平台,采用经典的PID控制算法对飞行器的实际姿态角和期望姿态角进行控制,形成闭环负反馈,整定PID的各个参数,使系统达到稳定的飞行状态。
【关键词】：姿态控制 IMU STM32 卡尔曼滤波 PID控制算法
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 课题的研究背景及意义12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状15
• 1.2.2 国内四旋翼飞行器的研究现状15-16
• 1.3 本文的研究目标及内容16-17
• 1.4 论文结构安排17-18
• 第2章 四旋翼飞行器的总体结构和基本原理18-22
• 2.1 四旋翼飞行器的总体结构18-19
• 2.1.1 四旋翼飞行器的结构形式18
• 2.1.2 四旋翼飞行器的结构分析18-19
• 2.2 四旋翼飞行器的基本原理19-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 飞行姿态及航姿参考系统22-32
• 3.1 飞行器的坐标系及姿态22-23
• 3.2 飞行器姿态的描述与运算23-30
• 3.2.1 欧拉角法23-25
• 3.2.2 方向余弦法25-28
• 3.2.3 四元数法28-30
• 3.3 本章小结30-32
• 第4章 姿态控制系统的硬件设计32-44
• 4.1 系统硬件的总体设计32-33
• 4.2 系统的方案选型33-39
• 4.2.1 控制器选型33-34
• 4.2.2 传感器选型34-37
• 4.2.3 电池及电机选型37
• 4.2.4 螺旋桨选型37-38
• 4.2.5 电机驱动器选型38-39
• 4.3 系统的硬件电路设计39-43
• 4.3.1 传感器模块电路设计39-41
• 4.3.2 控制器模块电路设计41
• 4.3.3 电源管理模块电路设计41-42
• 4.3.4 串口通信模块电路设计42
• 4.3.5 系统的硬件实物图42-43
• 4.4 本章小结43-44
• 第5章 姿态控制系统的软件设计44-50
• 5.1 系统软件的总体设计44-45
• 5.2 遥控PPM信号解码45-46
• 5.3 数据采集及处理程序设计46-49
• 5.4 本章小结49-50
• 第6章 四旋翼飞行器的姿态算法50-63
• 6.1 滤波算法及姿态融合50-54
• 6.1.1 卡尔曼滤波算法50-52
• 6.1.2 扩展卡尔曼滤波算法52-54
• 6.2 系统模型的建立及仿真54-60
• 6.2.1 飞行器的姿态运动方程54-55
• 6.2.2 系统传感器测量模型55-56
• 6.2.3 姿态算法的系统方程56-57
• 6.2.4 数据仿真分析57-60
• 6.3 系统的PID控制算法及参数整定60-62
• 6.3.1 系统PID控制算法的基本原理60-62
• 6.3.2 系统PID控制算法的参数整定62
• 6.4 本章小结62-63
• 结论与展望63-64
• 参考文献64-68
• 附录 系统硬件原理图68-69
• 硕士期间发表的论文69
• 硕士期间取得的专利69-70
• 致谢70

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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：857802