本文關(guān)鍵詞：微小型無人旋翼飛行器的研究與設(shè)計

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【摘要】：在無人操控的旋翼型飛行器中,最常見的是無人直升機和四旋翼飛行器。無人直升機或四旋翼飛行器在飛行過程中,易受飛行空域環(huán)境因素的制約,其暴露在外、且高速旋轉(zhuǎn)的槳葉若碰到障礙物將可能因沖擊斷裂而導(dǎo)致墜機,致使飛行任務(wù)中斷;此外,在無人直升機或四旋翼飛行器起飛或降落時,其起落架對地形平坦與否有著嚴格要求,不平的地形將直接影響無人直升機和四旋翼飛行器的姿態(tài)平穩(wěn)性,也可能因起飛或降落姿態(tài)不妥而致使飛行任務(wù)流產(chǎn)。為避免這些嚴重后果的出現(xiàn),本文設(shè)計了一種加裝螺旋槳防護架、且對地形有著自適應(yīng)特性的共軸反槳球形飛行器。首先,本文從飛行器結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)硬件上入手,進行了深入細致與科學(xué)合理的總體設(shè)計,制定了結(jié)構(gòu)總體設(shè)計目標和控制系統(tǒng)硬件方案。根據(jù)飛行器的性能指標和技術(shù)要求,提出了多種結(jié)構(gòu)布局形式,通過對比分析選擇了共軸反槳、四個舵面的結(jié)構(gòu)布局形式;完成了飛行器部件設(shè)計和選型,主要工作包括:動力部件選型、控制部件選型和飛行器本體設(shè)計。為提升上述設(shè)計工作的可靠性、可行性與優(yōu)越性,特地對國內(nèi)外開源飛行控制器硬件電路進行了對比研究,決定采用陀螺儀、加速度計和磁力計提供航姿參考系統(tǒng),氣壓計結(jié)合GPS提供位置信息的傳感器檢測系統(tǒng)設(shè)計方案。與此同時,還設(shè)計了球形飛行器的硬件電路,主要包括:雙STM32的控制電路、供電電源電路、SD卡電路、氣壓計電路、IMU電路和無線通訊電路。其次,本文在理論研究與實踐探索相結(jié)合的基礎(chǔ)上,探討了多傳感器信息融合算法和姿態(tài)控制算法;建立了地球坐標系、飛行器坐標系和傳感器坐標系,使用歐拉角或四元數(shù)進行坐標變換。為了得到更為準確的姿態(tài)信息,對陀螺儀和加速度計進行了校準。接著研究了陀螺儀和加速度計數(shù)據(jù)融合算法,主要包括:線性互補濾波、梯度下降法和擴展卡爾曼濾波算法。通過對比,發(fā)現(xiàn)擴展卡爾曼濾波算法精度較高、實時性較好,可應(yīng)用于飛行器姿態(tài)解算。為此,建立了基于飛行器懸停的控制模型,構(gòu)建了飛行器的控制策略,飛行器控制中采用了一種基于角速度反饋的PI控制。對飛行器的控制算法流程進行了詳細設(shè)計,主要包括:輸入捕獲、調(diào)試通訊、串口通訊、信息存儲和動作執(zhí)行程序。最后,本文對所研制的共軸反槳球形飛行器進行了調(diào)試實驗。以市場上高精度IMU產(chǎn)品作為參照,測試了傳感器在靜止、運動狀態(tài)中對電機振動的敏感度,實驗表明經(jīng)擴展卡爾曼濾波算法融合后的傳感器數(shù)據(jù)能夠滿足球形飛行器姿態(tài)信息需求。通過多次試驗,確定了一組可以使該共軸反槳球形飛行器具有較好飛行性能的PID參數(shù);該飛行器在室外大空域復(fù)雜天氣條件下進行了多輪試飛試驗,試飛結(jié)果表明:本文所研制的控制器能夠非常有效地接收遙控器信號,控制該飛行器完成懸停、機動飛行等多姿態(tài)飛行動作,飛行效果十分出色,由此證明其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與控制方式的高效性。相關(guān)研究成果可為類似產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)提供有益的參考與借鑒。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V279

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1 宋亞平;淺談旋翼的防腐維護[J];航空維修與工程;2004年04期

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本文編號：1182062