面向自主巡航的多旋翼飞行器飞控系统设计

发布时间：2017-10-09 00:34

  本文关键词：面向自主巡航的多旋翼飞行器飞控系统设计

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【摘要】：多旋翼飞行器由于其结构简易、灵活机动的特点受到商业公司和科研机构的极大欢迎,在民用和军用领域都有很大的前景。近些年随着多旋翼飞行器路径规划和自主巡航想法的提出,飞控系统中导航算法和控制算法的作用显得越来越重要。因此本文根据现有实验条件,以四旋翼飞行器为研究对象,做了下列研究：本文首先根据研究内容和实际需求设计了一套飞控系统。为了验证本文导航算法和控制算法的合理性,设计了基于ARM嵌入式芯片及惯性测量单元IMU的硬件平台,并针对要实现的复杂算法和飞行任务设计了可行有效的软件架构,完成了飞控系统的基础框架设计。其次对本文用到的低成本姿态传感器进行了标定,由于实验条件的限制,本文在了解姿态传感器的误差模型后进行了最大程度的标定。为了实现自主巡航,本文设计了基于扩展卡尔曼滤波算法的组合导航系统,通过姿态传感器与GPS数据建立状态方程、观测方程,最终估计出最佳的导航信息。最后分别在室内和室外进行了组合导航算法的实验,通过对比验证了算法的有效性。然后进行了控制算法的设计,通过分析飞行器的飞行原理和特点,本文将控制算法分为：姿态角控制、高度控制、位置控制。本文以经典的PID控制算法为基础,针对三个控制回路分别进行了一定程度的改进：对姿态角控制引入了姿态角速度环节,采用了串级PID控制,提高了控制的稳定性；用地理坐标系下的垂直速度代替了高度控制的微分环节,提高了控制的抗干扰能力；对位置控制省略微分环节,将控制输出直接转移给姿态角控制回路,在达到相同控制效果下减少了一定运算量。最后利用本文设计的飞控系统搭建了一台轴距为450mm小型四旋翼飞行器,并分别对上述三个控制回路进行了飞行试验,分析飞行过程中传到上位机的数据并观察飞行器实际飞行状态,调节控制参数,最终实现了飞行器的自主巡航,验证了飞控系统的稳定性,以及导航算法和控制算法的合理性。
【关键词】：四旋翼飞行器 导航系统 自主巡航
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 课题研究的背景及意义9
• 1.2 国内外研究现状9-11
• 1.3 本课题的研究内容11-12
• 1.4 论文章节结构12-13
• 2 多旋翼飞行器飞控系统设计13-24
• 2.1 多旋翼飞行器的运动特征和原理13-14
• 2.2 飞控系统的需求分析14-15
• 2.3 元器件的选型和电路设计15-22
• 2.3.1 主控芯片15-16
• 2.3.2 电源芯片16-17
• 2.3.3 外部存储芯片17-18
• 2.3.4 姿态传感器模块18-19
• 2.3.5 GPS接收机模块19-20
• 2.3.6 无线传输模块20
• 2.3.7 飞行控制板PCB设计20-21
• 2.3.8 飞行控制板硬件测试21-22
• 2.4 软件系统设计22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 3 飞行器组合导航系统设计24-39
• 3.1 坐标系定义及姿态角解算24-29
• 3.1.1 坐标系定义24-25
• 3.1.2 姿态角表示方法25-26
• 3.1.3 初始四元数的确定26-27
• 3.1.4 姿态角解算27-29
• 3.2 惯性传感器误差分析与标定29-32
• 3.2.1 加速度计误差建模与简易标定29-30
• 3.2.2 陀螺仪误差建模与简易标定30-32
• 3.2.3 磁力计误差分析与简易标定32
• 3.3 组合导航算法设计32-38
• 3.3.1 系统状态方程及观测方程33-35
• 3.3.2 噪声协方差矩阵及系统协方差矩阵35
• 3.3.3 组合导航算法流程35-36
• 3.3.4 组合导航算法试验36-38
• 3.4 本章小结38-39
• 4 飞行器控制系统设计39-46
• 4.1 飞行控制系统需求分析39
• 4.2 经典控制PID算法39-41
• 4.3 姿态角控制系统41-42
• 4.4 高度控制系统42-43
• 4.5 位置控制系统43-45
• 4.6 本章小结45-46
• 5 四旋翼飞行器系统实验测试46-51
• 5.1 姿态角实验测试47-49
• 5.1.1 俯仰角和横滚角实验测试47-48
• 5.1.2 航向角实验测试48-49
• 5.2 高度实验测试49
• 5.3 自主巡航实验测试49-50
• 5.4 本章小结50-51
• 6 总结与展望51-52
• 6.1 总结51
• 6.2 展望51-52
• 参考文献52-54
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果54-55
• 致谢55

【参考文献】

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本文编号：997205