本文選題：四旋翼飛行器 + PID控制��； 參考：《中國計(jì)量學(xué)院》2015年碩士論文

【摘要】：四旋翼飛行器由于其獨(dú)特的機(jī)體結(jié)構(gòu)與靈活的飛行方式,具有高機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)能力強(qiáng)和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),在軍用和民用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。近年來,隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展與科研成果的持續(xù)轉(zhuǎn)化,自動(dòng)化、現(xiàn)代化水平正在不斷提高。針對我國公安、消防和交通等部門對特種科技設(shè)備的需求,研究具有巡防勘察功能的四旋翼飛行器,降低了公安消防等人員的工作危險(xiǎn)性和工作強(qiáng)度,能夠有效地提高相關(guān)部門的工作效率與緊急突發(fā)事件的反應(yīng)速度。對此,從飛行原理和機(jī)體結(jié)構(gòu)入手,在研究導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,圍繞搭載輔助性功能設(shè)備的四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),展開了如下工作：(1) 分析四旋翼飛行器實(shí)際工作環(huán)境,針對工程應(yīng)用需求,在查閱相關(guān)資料、文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,把安全可靠、操縱維護(hù)簡單、成本低廉的作為主要考慮因素,在續(xù)航時(shí)間、有效荷載、控制范圍等方面提出了設(shè)計(jì)的總體要求,并設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。(2) 根據(jù)力學(xué)原理分析飛行器在飛行過程中的受力情況,建立了飛行動(dòng)力學(xué)模型；基于動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了PID控制器,包括姿態(tài)穩(wěn)定控制、高度穩(wěn)定控制、和位置穩(wěn)定控制,并通過仿真驗(yàn)證了控制回路的控制效果。(3) 根據(jù)設(shè)計(jì)的總體要求構(gòu)建了具有一定通用性與擴(kuò)展性的四旋翼飛行器模塊化硬件系統(tǒng)。把體積小、功耗低、精度高作為主要考慮因素設(shè)計(jì)了以ATMEGA1284為核心控制芯片的硬件系統(tǒng),主要包括電源模塊,姿態(tài)檢測模塊,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,無線通訊模塊,GPS模塊。(4) 分析了GPS導(dǎo)航的定位過程和捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航時(shí)姿態(tài)解算與速度解算方法。研究了慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航組合而成的導(dǎo)航系統(tǒng)中Unscented卡爾曼濾波的設(shè)計(jì)方法與算法流程。(5) 設(shè)計(jì)了定高懸停實(shí)驗(yàn)、飛行姿態(tài)控制實(shí)驗(yàn)和位置控制實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了制作的樣機(jī)在戶外飛行中穩(wěn)定可靠,通過搭載攝像頭、二軸自穩(wěn)云臺(tái)、圖傳模塊等輔助功能性模塊,設(shè)計(jì)交通環(huán)境監(jiān)控實(shí)驗(yàn),證明了四旋翼巡防勘察功能的實(shí)現(xiàn),可以達(dá)到設(shè)計(jì)的總體要求。
[Abstract]:Because of its unique airframe structure and flexible flight mode, the four-rotor aircraft has the advantages of high maneuverability, strong adaptability and stable performance, so it has a broad application prospect in military and civil fields. In recent years, with the continuous development of high and new technology and the continuous transformation of scientific research achievements, the level of automation and modernization is constantly improving. In view of the demand for special scientific and technological equipment for public security, fire control and transportation departments in China, a four-rotor aircraft with the function of patrol and reconnaissance is studied, which reduces the working danger and working intensity of the public security and fire protection personnel. Can effectively improve the efficiency of relevant departments and emergency response speed. In this paper, based on the study of the navigation system and the flight principle and the airframe structure, the design of the control system of the four-rotor aircraft with auxiliary functional equipment is discussed, and the following work is carried out: 1) analyzing the actual working environment of the four-rotor aircraft. According to the requirement of engineering application, on the basis of consulting relevant information and literature, taking safety and reliability, simple operation and maintenance, low cost as the main consideration factors, in the life span, the payload, The general requirements of the design are put forward in terms of the control range, and the experimental prototype is designed and manufactured. (2) according to the mechanics principle, the stress situation of the aircraft during flight is analyzed, and the flight dynamics model is established. Based on the dynamic model, the PID controller is designed, which includes attitude stabilization control, high stability control, and position stability control. The control effect of the control loop is verified by simulation. According to the overall requirements of the design, the modular hardware system of the four-rotor aircraft is constructed with certain generality and expansibility. Taking small size, low power consumption and high precision as the main factors, the hardware system with ATMEGA1284 as the core control chip is designed, including power supply module, attitude detection module, motor driving module. The positioning process of GPS navigation and the method of attitude calculation and velocity calculation in sins navigation are analyzed. The design method and algorithm flow of Unscented Kalman filter in inertial navigation and satellite navigation system are studied. The hovering experiment, flight attitude control experiment and position control experiment are designed. It is verified that the prototype is stable and reliable in the outdoor flight. The traffic environment monitoring experiment is designed through the auxiliary functional modules such as the camera, the two-axis self-stabilizing cloud head, the graphic transmission module, and the realization of the reconnaissance function of the four-rotor patrol and defense is proved. Can meet the overall design requirements.
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V275.1;V249.3

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本文編號(hào)：1857737