扑翼飞行机器人控制系统的设计研究

发布时间：2017-05-13 15:23

  本文关键词：扑翼飞行机器人控制系统的设计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：扑翼飞行机器人是一种主要模拟鸟或昆虫飞行原理的机器人。扑翼飞行是飞行动物在经历亿万年生物进化后形成的一种飞行方式,自然界近百万种鸟类与昆虫不约而同的选择了扑翼飞行,我们可以说扑翼飞行是最优的飞行方式。研究表明,扑翼飞行器在能量转换效率、升力产生效果、微型化程度、灵活程度上相比于固定翼飞行器和旋翼飞行器都有明显的优势。由于扑翼飞行器在军事和民用领域具有广阔的应用前景,扑翼飞行器的研究在各国都成为了热点。目前,国内外对扑翼飞行器的研究主要包括以下三个方面,微机电系统的研究、相关空气动力学及其模型的研究、姿态控制方法的研究。只有在这些技术上取得突破性进展,才能掌握扑翼飞行器的关键技术。虽然现在对扑翼飞行器的研究取得了一定的阶段性成果,但距离真正的实用阶段还有一段距离。本文定义了适当的扑翼飞行器坐标系,用来描述扑翼飞行器实时的飞行坐标,也便于分析和计算机体受到的力和力矩,并确定了各坐标系间的转换关系；通过分析研究扑翼飞行器的机身动力矩、机翼动力矩,建立绕质心运动的动力学和运动学方程,总结出了可用于扑翼飞行器飞行姿态控制的动力学模型。设计出了一种由MEMS元件构成的扑翼飞行姿态控制系统。该系统采用新型32位ARM STM32F103作为微控制器,MPU6050陀螺仪和加速度计、HMC5883L磁阻传感器和MS5611高度计构成姿态测量模块,可以测量飞行器的飞行姿态。设计了通信模块、电源模块、执行控制等模块,还利用稳压去耦、滤波技术提高了系统抗干扰能力,对扑翼飞行器的硬件系统进行了全面的研制。为了提高飞行姿态的测量精度,设计出了一种将陀螺仪、加速度计、磁力计和高度计的数据进行融合,基于卡尔曼滤波的融合计算姿态角的方法。通过将传感器得到的数据进行卡尔曼滤波,得到最优四元数,进而转换为姿态角。把姿态解算编成软件程序,通过实验验证,卡尔曼滤波提高了姿态测量的精度。
【关键词】：扑翼飞行器 动力学模型 控制系统 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 绪论9-18
• 1.1 扑翼飞行机器人的研究背景9-11
• 1.1.1 微型飞行器9-10
• 1.1.2 扑翼飞行机器人10-11
• 1.2 扑翼飞行机器人的国内外发展现状11-15
• 1.2.1 扑翼飞行机器人的设计制作11-13
• 1.2.2 扑翼飞行机器人的控制技术研究13-14
• 1.2.3 扑翼飞行机器人的控制系统的实现14-15
• 1.3 扑翼飞行机器人的关键技术15-16
• 1.3.1 扑翼飞行机器人机体机构及机载元器件微型化技术15
• 1.3.2 扑翼飞行机器人控制策略15-16
• 1.3.3 扑翼飞行机器人数据通信系统16
• 1.4 本文研究的主要内容16-17
• 1.5 本章小结17-18
• 第二章 扑翼飞行机器人坐标系的定义与转换18-28
• 2.1 坐标系的定义18-20
• 2.1.1 地面坐标系18
• 2.1.2 机体坐标系18-19
• 2.1.3 航迹坐标系19
• 2.1.4 速度坐标系19
• 2.1.5 右翼坐标系和左翼坐标系19-20
• 2.1.6 右尾翼坐标系和左尾翼坐标系20
• 2.2 坐标系之间的转换20-27
• 2.2.1 地面坐标系到机体坐标系的转换20-23
• 2.2.2 地面坐标系到航迹坐标系的转换23-24
• 2.2.3 速度坐标系到机体坐标系的转换24-25
• 2.2.4 右尾翼坐标系到机体坐标系的转换25
• 2.2.5 左尾翼坐标系到机体坐标系的转换25
• 2.2.6 右翼坐标系到机体坐标系的转换25-26
• 2.2.7 左翼坐标系到机体坐标系的转换26-27
• 2.3 本章小结27-28
• 第三章 扑翼飞行机器人的动力学建模28-40
• 3.1 扑翼飞行器动力矩的计算28-33
• 3.1.1 机体的空气动力矩28-29
• 3.1.2 机翼的气动力和力矩29-32
• 3.1.3 尾翼动力矩32-33
• 3.2 机体绕质心转动的动力学方程33-34
• 3.3 机体绕质心转动的运动学方程34-35
• 3.4 整机动力学模型35
• 3.5 动力学仿真35-39
• 3.5.1 设计参数35-36
• 3.5.2 运动控制仿真36-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 控制系统设计40-49
• 4.1 总体方案40
• 4.2 微处理器的的选型40-42
• 4.3 姿态测量模块42-44
• 4.4 电源电路设计44-45
• 4.5 其它电路设计45-47
• 4.6 PCB设计47-48
• 4.7 本章小结48-49
• 第五章 姿态角解算及实验49-62
• 5.1 姿态解算方法49-50
• 5.2 卡尔曼滤波50
• 5.3 卡尔曼滤波流程50-53
• 5.3.1 欧拉角与四元数之间的转换50-51
• 5.3.2 预测方程和状态方程的求解51-52
• 5.3.3 卡尔曼滤波流程52-53
• 5.4 软件设计53-57
• 5.4.1 I~2C驱动53-54
• 5.4.2 芯片驱动54
• 5.4.3 程序设计54-57
• 5.5 实验验证57-61
• 5.5.1 参数初始化57
• 5.5.2 实验及结论57-61
• 5.6 本章小结61-62
• 结论62-63
• 参考文献63-67
• 在校期间的研究成果67-68
• 致谢68

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 顾明;张瑞彪;黄贵林;罗有亮;;微型扑翼飞行器控制系统设计[J];电子技术;2013年08期

2 张洪朋;顾长智;张兴明;陈海泉;刘东;张银东;沈岩;;基于MEMS的液压系统V锥传感器的仿真研究[J];电子测量与仪器学报;2012年05期

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本文编号：362927