本文關鍵詞：四旋翼飛行器運動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)　出處：《湖南大學》2015年碩士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 四旋翼飛行器 控制系統(tǒng) 動力學模型 Kinetis 串級PID控制

【摘要】：四旋翼飛行器具有四個對稱分布的螺旋槳,是一種結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活、能夠垂直起降的無人飛行器,具有廣闊的軍事和民用前景。四旋翼飛行器也是一個多學科融合的綜合體,為機器人領域提供了良好的實現(xiàn)平臺,在機器人智能控制、慣性導航、路徑規(guī)劃、三維場景重構(gòu)和多機協(xié)同等領域具有較高科研價值。本文針對四旋翼飛行器的運動控制系統(tǒng)開展了研究工作,首先介紹了四旋翼飛行器的發(fā)展情況,闡述了四旋翼飛行器的研究背景和意義,分析了國內(nèi)外對于四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢。針對四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點,分析了四旋翼飛行器的飛行原理,描述了飛行器的基本運動方式;闡述了飛行器的姿態(tài)描述方法,包括坐標系的建立并比較了歐拉角法、方向余弦法、四元數(shù)法的優(yōu)缺點;建立了四旋翼飛行器動力學模型。之后進行了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)總體設計,給出了四旋翼飛行器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,對主控制器、姿態(tài)獲取模塊、電機驅(qū)動、無線通信模塊進行了分析與設計。根據(jù)總體設計要求,完成控制系統(tǒng)硬件設計:對核心元器件進行選型,主控制器使用飛思卡爾公司基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的Kinetis系列芯片MK64FN1M0VLQ12,慣性導航微傳感器使用Invensense公司的MPU6050,并給出了電源電路、無刷電機驅(qū)動、主控制器模塊以及慣性導航微傳感器的電路設計,繪制了PCB電路板。根據(jù)四旋翼飛行器的動力學模型,使用單級及串級PID控制算法對飛行器進行位置及姿態(tài)控制,利用MATLAB/SIMULINK仿真工具對控制算法進行仿真分析,仿真結(jié)果表明串級PID姿態(tài)控制算法在軌跡跟蹤精度和姿態(tài)角的穩(wěn)定性能方面都具有較大的優(yōu)勢。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)軟件的特點要求,給出了系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)框圖,分別對系統(tǒng)初始化、姿態(tài)信息獲取、控制算法實現(xiàn)進行了分析與軟件設計,并給出了各模塊的軟件流程圖。最后進行了系統(tǒng)測試與分析。包括各模塊軟硬件測試,對飛行器樣機進行靜態(tài)數(shù)據(jù)采集測試與分析,同時進行動態(tài)飛行測試,驗證了系統(tǒng)設計的可行性以及系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。
[Abstract]:The four-rotor aircraft has four symmetrical propellers, which is a kind of unmanned aerial vehicle with simple structure, flexible control and vertical take-off and landing. Four-rotor aircraft is also a multi-disciplinary integration complex, which provides a good platform for robot field, in robot intelligent control, inertial navigation, path planning. 3D scene reconstruction and multi-aircraft cooperation are of great scientific value. This paper studies the motion control system of four-rotor aircraft. Firstly, the development of four-rotor aircraft is introduced. This paper expounds the research background and significance of the four-rotor aircraft, analyzes the research status and development trend of the four-rotor aircraft at home and abroad, and aims at the structural characteristics of the four-rotor aircraft. The flight principle of the four-rotor aircraft is analyzed, and the basic motion mode of the aircraft is described. The attitude description methods of aircraft are described, including the establishment of coordinate system and the comparison of the advantages and disadvantages of Euler angle method, direction cosine method and quaternion method. The dynamic model of the four-rotor aircraft is established. Then the overall design of the four-rotor aircraft control system is carried out, and the structure diagram of the four-rotor aircraft control system is given. The main controller, attitude acquisition module and motor drive are given. The wireless communication module is analyzed and designed. According to the overall design requirements, the hardware design of the control system is completed. The core components are selected. The main controller uses Freescale's Kinetis family of chips, MK64FN1M0VLQ12, based on the ARM Cortex-M4 kernel. The inertial navigation microsensor uses MPU6050 of Invensense company, and gives the circuit design of power circuit, brushless motor drive, main controller module and inertial navigation micro sensor. The PCB circuit board is drawn. According to the dynamic model of the four-rotor aircraft, the position and attitude of the aircraft are controlled by single-stage and cascade PID control algorithm. The control algorithm is simulated and analyzed by MATLAB/SIMULINK simulation tool. Simulation results show that the cascade PID attitude control algorithm has great advantages in trajectory tracking accuracy and attitude angle stability, according to the characteristics of embedded system software requirements. The overall structure block diagram of the system software is given, and the system initialization, attitude information acquisition, control algorithm implementation are analyzed and software design respectively. Finally, the software flow chart of each module is given. Finally, the system test and analysis are carried out, including the software and hardware testing of each module, the static data acquisition and analysis of the prototype of the aircraft, and the dynamic flight test at the same time. The feasibility of the system design and the stability and reliability of the system are verified.
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1

【參考文獻】

相關期刊論文 前9條

1 陳增強;孫明瑋;楊瑞光;;線性自抗擾控制器的穩(wěn)定性研究[J];自動化學報;2013年05期

2 甄紅濤;齊曉慧;夏明旗;趙紅瑞;;四旋翼無人直升機飛行控制技術綜述[J];飛行力學;2012年04期

3 成宇翔;張衛(wèi)平;陳文元;崔峰;劉武;吳校生;;MEMS微陀螺儀研究進展[J];微納電子技術;2011年05期

4 張榮輝;賈宏光;陳濤;張躍;;基于四元數(shù)法的捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)的姿態(tài)解算[J];光學精密工程;2008年10期

5 殷云華;鄭賓;鄭浩鑫;;一種基于Matlab的無刷直流電機控制系統(tǒng)建模仿真方法[J];系統(tǒng)仿真學報;2008年02期

6 沙琳;車延博;;無刷直流電動機無位置傳感器控制技術[J];機床與液壓;2007年07期

7 張立群,李東海,唐多元,薛亞麗;熱力系統(tǒng)串級控制PID參數(shù)優(yōu)化研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2005年08期

8 宋海龍,楊明,范宇,徐殿國;無刷直流電動機的無位置傳感器控制[J];電機與控制學報;2002年03期

9 韓京清;從PID技術到“自抗擾控制”技術[J];控制工程;2002年03期

相關博士學位論文 前2條

1 張洪濤;四旋翼微型飛行器位姿及控制策略的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

2 楊成順;多旋翼飛行器建模與飛行控制技術研究[D];南京航空航天大學;2013年

相關碩士學位論文 前4條

1 譚廣超;四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D];大連理工大學;2013年

2 沈龍;集成電機推進器控制系統(tǒng)的研究與設計[D];哈爾濱工程大學;2012年

3 叢夢苑;基于線性二次調(diào)節(jié)器的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設計與研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

4 何芝強;PID控制器參數(shù)整定方法及其應用研究[D];浙江大學;2005年

，

本文編號：1400996