【摘要】：隨著無人機在室內(nèi)場景的應(yīng)用需求越來越大,國內(nèi)外對無人機室內(nèi)導(dǎo)航與飛行控制的研究也越來越受到重視。通常情況下室內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜多變,精確而可靠的室內(nèi)導(dǎo)航算法與飛行控制算法是保障無人機完成預(yù)定任務(wù)的關(guān)鍵。本文以小型四旋翼無人機的室內(nèi)導(dǎo)航與控制為應(yīng)用背景,提出了基于多傳感器融合技術(shù)的室內(nèi)導(dǎo)航定位方法,并以四旋翼飛行器為平臺進(jìn)行建模與控制器的設(shè)計。論文的主要研究內(nèi)容如下:首先,本文選擇四旋翼飛行器為實驗平臺,搭建了適用于室內(nèi)導(dǎo)航飛行控制的硬件平臺,并介紹了軟件系統(tǒng)的主要功能。其次,分析了作用在四旋翼飛行器上的力和力矩,并采用Newton-Euler方法建立了四旋翼飛行器的非線性數(shù)學(xué)模型,將應(yīng)用在濾波器和控制器的設(shè)計中。考慮到工程實現(xiàn)的需要,還建立了四旋翼的控制效率模型和動力單元模型的傳遞函數(shù)。此外,通過實驗和理論計算的方法確定了飛行器的轉(zhuǎn)動慣量以及螺旋槳的升力系數(shù)等參數(shù)。然后,提出了一種基于超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)定位的室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)方案,主要可分為姿態(tài)估計和位置速度估計兩部分,分別對其設(shè)計了EKF進(jìn)行融合多種傳感器數(shù)據(jù)。針對姿態(tài)估計問題,采用了基于誤差四元數(shù)的EKF算法,通過實驗測試了姿態(tài)算法的有效性。針對位置速度估計問題,采用了多速率卡爾曼濾波器的方法處理不同采樣速率多個傳感器,實驗結(jié)果表明該算法能夠得到優(yōu)于單一傳感器精度的估計值。最后,證明了四旋翼非線性動力學(xué)系統(tǒng)是微分平坦的,在此基礎(chǔ)上,采用非線性幾何控制方法對四旋翼飛行器設(shè)計了軌跡跟蹤控制器。針對四旋翼的欠驅(qū)動特性,將其軌跡跟蹤問題分為姿態(tài)控制模式和位置控制模式兩個飛行模式,分別進(jìn)行控制器的設(shè)計。并且通過仿真實驗驗證了姿態(tài)控制器的有效性,能夠?qū)崿F(xiàn)四旋翼無人機的大機動飛行。
【圖文】：

第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計第二章 系統(tǒng)總體方本文以無人機室內(nèi)導(dǎo)航與飛行控制為主要研究內(nèi)容相應(yīng)的電子信息系統(tǒng)，用于開展相關(guān)算法的驗證實驗。息系統(tǒng)的總體方案，針對整個四旋翼電子信息系統(tǒng)從紹。其中，，硬件上著重介紹了飛行控制系統(tǒng)和 UWB 室軟件上主要介紹各個軟件子系統(tǒng)的功能。2.1 飛行器平臺介紹在眾多無人機中，四旋翼除了具有可垂直起降的特易于操控等突出優(yōu)點。因此，本文選擇了四旋翼飛行器航與控制算法的性能，如圖 2-1a 所示。

加速度計氣壓計控制器UWB標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲模塊遙控接收機四旋翼動力系統(tǒng)PWM飛控系統(tǒng)圖 2-3 飛行控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖為了提高系統(tǒng)的集成度并方便整合各種傳感器，本文自主設(shè)計了一個 PCB 板，將主控制器、陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計等元器件集成到一起，稱之為飛行控制主板。飛控主板上還集成了電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、電機驅(qū)動信號接口，以及預(yù)留了多種通信接口，以方便連接無線數(shù)傳、遙控器接收機、其它傳感器等模塊。其中，電源模塊把鋰電池的電壓轉(zhuǎn)換至 5V 和 3.3V，以給傳感器等模塊供電；電機驅(qū)動信號接口輸出 PWM 信號給電調(diào)，用以驅(qū)動無人機的 4 個電機。本文設(shè)計完成的飛控主板 PCB 以及實物分別如圖 2-4a 和圖 2-4b 所示。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249

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本文編號：2625632