四轴飞行器定高定点功能的设计与研究

发布时间：2017-09-18 03:14

  本文关键词：四轴飞行器定高定点功能的设计与研究

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【摘要】：随着对惯性导航传感器研究的成熟和控制算法的日臻完善,四轴飞行器设计也更加稳定可靠。四轴飞行器尺寸较小结构简单,然而同样小尺寸的固定翼飞行器甚至都不能实现飞行。四轴飞行器飞行方式灵活多样,可以实现垂直起降,和悬停等多种功能。当今地区冲突不断发生,反恐形势依然严峻,各国军方都在研发自己的无人机,来作为新一代的侦察机和信号中继。在民用方面,高压电线巡检,森林防火巡查,航拍摄影,农业植保等领域也越来越出现了四轴飞行器的身影。作为一种多输入、强耦合、多变量、欠驱动的系统,其控制算法有一定的难度。因此,四轴飞行器作为一个高度集成的硬件平台和信号处理控制算法实践平台正受到广大科研院校的关注,越来越多的科研工作者投入到四轴飞行器的研发过程中。一个完整的四轴飞行其系统设计包含软件设计和硬件设计两部分。硬件系统设计主要包含飞行控制器的硬件设计和地面接收机的硬件设计。四轴飞行器飞控采用高性能单片机处理器通过读取六轴传感器、气压计、超声波传感器、GPS传感器信息,进而获取完成机体控制所需的原始数据采集。地面接收机采用高性能单片机通过NRF24L01同四轴飞行器完成数据通信。四旋翼控制器将机体姿态信息和传感器运行状态信息传输给地面接收机。软件系统设计总共包含三部分的程序设计,分别为飞行控制器程序设计,手持式数据接收终端程序设计,以及基于MFC上位机程序设计。飞控程序主要实现机体姿态控制,和特定飞行功能的实现。手持数据接收终端实现四轴飞行器飞行数据的接收和显示,并可以通过串口将数据显示到PC上位机。本文还设计了手持式终端同飞行控制器之间的通信协议,手持式终端设备同上位机之间的通信协议。在实际测试中,四轴飞行器够完成本论文设计的各种飞行功能,可控性较好。同时四轴飞行器同地面接收机之间的通信正常。在四轴飞行器上电后会完成对传感器设备巡检,能够及时发现和排除硬件故障。地面接收机同上位机之间的通信正常,且能显示飞行器的机体参数,能够实现数据的存储。实验结果表明,本研究的设计方案与预期结果完全相符,实验方案切实可行。
【关键词】：四轴飞行器 地面接收机 PC上位机 通信协议 设备巡检
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-14
• 1.1 课题的背景及意义11
• 1.2 国内外发展现状11-12
• 1.3 研究内容和安排12-13
• 1.4 论文结构13-14
• 第二章 系统需求分析与建模14-20
• 2.1 系统设计需求分析14-16
• 2.2 四轴飞行器机体简化模型的建立与分析16-17
• 2.3 四轴飞行数学模型的建立与分析17-19
• 2.3.1 两种坐标系的建立及其相互转换关系17-18
• 2.3.2 四轴飞行器动力学模型18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 第三章 硬件系统设计20-33
• 3.1 硬件电路20-22
• 3.1.1 飞行控制器硬件设计框图20-21
• 3.1.2 地面接收机硬件设计框图21-22
• 3.2 传感器特性概述22-28
• 3.2.1 六轴传感器MPU-605022-23
• 3.2.2 超声波模块23
• 3.2.3 气压计MS561123-24
• 3.2.4 电磁罗盘HMC588324-25
• 3.2.5 NRF24L01无线通信模块25-26
• 3.2.6 GPS模块26
• 3.2.7 电压转换模块26-27
• 3.2.8 OLED液晶显示模块27-28
• 3.3 硬件原理图设计以及PCB设计28-32
• 3.3.1 采用传感器芯片的四轴飞行器原理图设计28-30
• 3.3.2 采用传感器芯片的四轴飞行器PCB设计30-31
• 3.3.3 采用传感器模块的四轴飞行器原理图设计31
• 3.3.4 采用传感器芯片的四轴飞行器PCB设计31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第四章 四轴飞行器程序设计及实现33-45
• 4.1 总程序设计33
• 4.2 四轴飞行控制器程序设计33-38
• 4.2.1 姿态平衡控制实现33-35
• 4.2.2 悬停控制35-36
• 4.2.3 GPS定点控制36-38
• 4.3 地面接收机程序设计38-39
• 4.4 地面站上位机程序设计39-44
• 4.4.1 MFC串口数据接收功能的实现39-40
• 4.4.2 MFC数据波形显示40-41
• 4.4.3 机体 3D模型的显示41-42
• 4.4.4 数据信息的存储42-44
• 4.5 本章小结44-45
• 第五章 系统调试45-56
• 5.1 四轴飞行器实验样机45
• 5.2 姿态控制45-48
• 5.2.1 姿态控制功能实现46
• 5.2.2 姿态控制实践性能分析验证46-48
• 5.3 悬停控制48-55
• 5.3.1 基于超声波模块的悬停功能实现48-50
• 5.3.2 气压计定高功能实现50-51
• 5.3.3 悬停实测波形分析51-52
• 5.3.4 GPS定点功能实现52-55
• 5.4 本章小结55-56
• 结论56-57
• 参考文献57-59
• 附录59-60
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作60-61
• 致谢61

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1 辛磊;四轴飞行器定高定点功能的设计与研究[D];青岛理工大学;2016年

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本文编号：873046