基于STM32的有缆多旋翼飞行器控制系统研究

发布时间：2017-09-20 09:33

  本文关键词：基于STM32的有缆多旋翼飞行器控制系统研究

  更多相关文章： 有缆多旋翼 数学模型 数据滤波 串级PID

【摘要】：多旋翼飞行器不仅能够像固定翼飞行器一样多方向飞行,还能够像直升机一样悬停,使其在民用和军事方面都得到了很好地应用。但是,目前多旋翼存在的最大缺点是续航能力差,不能长期执行任务。系留浮空器依靠自身的浮力实现在空中悬浮,系留缆绳可以使其固定到一点执行任务,可以长时间不间断的定点停泊高效工作,但是它的机动性较差,受外界环境影响较大。综合多旋翼飞行器和系留浮空器的特点,可以设计一款通过缆绳供电的有缆多旋翼飞行器,使其具有多旋翼飞行器的机动性强、受外界环境干扰小、性价比高和系留浮空器连续长时间工作、维护方便的优点。目前国内关于有缆多旋翼飞行器的研究和应用较少,本文以实现有缆多旋翼的悬停飞行为目标,着重开展了一系列的研究工作。首先,简述了六旋翼飞行器的基本结构和工作原理,接着分析了六旋翼飞行器的动力学特性,获得了飞行器的旋转和平移的动态方程,并对其数学模型进行了简化。接下来对缆绳的受力和缆绳对机体的拉力进行了分析,并在六旋翼飞行器动力学模型的基础上建立了有缆六旋翼的简化数学模型。然后,根据飞行器的设计要求和任务需要,采用模块化的设计理念,进行了系统的硬件和软件设计。主要包括对所用到的主控制器和导航系统中的传感器选型并选择合适的滤波算法对传感器采集的数据滤波融合后解算得到相关有效信息。再利用经典PID和串级PID的控制算法设计出控制器,控制飞行器的姿态、高度和位置。另外选择合适的电源和电缆设计了有缆多旋翼的供电系统。最后,通过多次实验整定得到了飞行器较好的参数。实验结果表明,本文的设计方法能够使有缆多旋翼飞行器长期稳定的工作,能够完成相应的任务,基本满足了设计的要求。
【关键词】：有缆多旋翼 数学模型 数据滤波 串级PID
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第1章 绪论7-11
• 1.1 引言7-8
• 1.2 多旋翼的国内外研究现状8-10
• 1.3 论文主要工作内容10-11
• 第2章 多旋翼模型分析11-25
• 2.1 多旋翼结构和原理11-14
• 2.2 六旋翼数学模型14-20
• 2.2.1 坐标系及坐标转换14-15
• 2.2.2 多旋翼动力学模型15-20
• 2.3 有缆多旋翼动力学模型20-24
• 2.3.1 缆绳受力和对机体的拉力20-23
• 2.3.2 有缆六旋翼动力学模型23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 硬件系统设计25-37
• 3.1 系统总方案25-26
• 3.1.1 设计要求25
• 3.1.2 系统总体设计25-26
• 3.2 主控制器设计26-29
• 3.2.1 主控制器选型26-27
• 3.2.2 主控制器硬件设计27-29
• 3.3 导航系统设计29-34
• 3.3.1 IMU模块29
• 3.3.2 磁场传感器模块29-30
• 3.3.3 高度传感器模块30-31
• 3.3.4 GPS定位模块31-32
• 3.3.5 光流定位模块32
• 3.3.6 无线数据传输32-34
• 3.4 遥控器和电机驱动34-35
• 3.4.1 遥控器及其接口电路34-35
• 3.4.2 电机驱动及其接口电路35
• 3.5 供电系统设计35-36
• 3.6 本章小结36-37
• 第4章 控制算法与软件设计37-47
• 4.1 控制系统37-38
• 4.2 控制算法38-41
• 4.2.1 PID控制39-40
• 4.2.2 模糊PID控制40-41
• 4.2.3 神经网络PID控制41
• 4.3 控制器设计41-46
• 4.3.1 姿态以及航向控制42-44
• 4.3.2 高度控制44-45
• 4.3.3 悬停控制45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 数据处理与姿态解算47-69
• 5.1 传感器数据采集分析47-59
• 5.1.1 姿态传感器数据47-49
• 5.1.2 磁航向传感器数据49-52
• 5.1.3 高度测量传感器数据52-55
• 5.1.4 GPS与光流传感器数据55-59
• 5.2 数据滤波59-65
• 5.2.1 常用数字滤波59-61
• 5.2.2 卡尔曼滤波61-63
• 5.2.3 IIR滤波63-65
• 5.3 基于四元数的飞行器姿态解算65-67
• 5.3.1 四元数法65-66
• 5.3.2 姿态解算实现66-67
• 5.4 本章小结67-69
• 第6章 飞行器实验69-79
• 6.1 飞行器调试69-72
• 6.1.1 调试平台69-70
• 6.1.2 地面调试70-72
• 6.2 空中飞行实验72-75
• 6.3 有缆六旋翼飞行实验75-78
• 6.4 本章小结78-79
• 第7章 总结与展望79-81
• 7.1 总结79
• 7.2 展望79-81
• 参考文献81-84
• 发表论文和参加科研情况说明84-85
• 致谢85-86
• 附录86-90

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本文编号：887273