【摘要】：四旋翼無(wú)人機(jī)由于其廣泛的應(yīng)用前景,已經(jīng)成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。四旋翼無(wú)人機(jī)穩(wěn)定安全飛行的關(guān)鍵是飛行控制器(簡(jiǎn)稱(chēng)飛控)。目前,市面上已經(jīng)出現(xiàn)了很多安全可靠的開(kāi)源和閉源飛控。閉源飛控穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng),但是無(wú)法拿到傳感器的原始數(shù)據(jù)以及底層的控制權(quán),無(wú)法改變底層的控制邏輯,限制了自主開(kāi)發(fā)和應(yīng)用能力。開(kāi)源飛控性能非常強(qiáng)大,但是源碼架構(gòu)龐大,冗余部分過(guò)多,不利于調(diào)試和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。考慮到開(kāi)源和閉源飛控均無(wú)法滿(mǎn)足進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用的需求,因此我們擬開(kāi)發(fā)一款飛控,從而能夠根據(jù)需求定制自己的飛行控制系統(tǒng)。本課題為該項(xiàng)飛控開(kāi)發(fā)的先行工作,主要解決傳感器特性和配置方案分析、狀態(tài)估計(jì)、仿真平臺(tái)搭建、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及硬件選型和嵌入式實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)等工作。論文的主要工作如下:首先,建立了所需要用到的坐標(biāo)系并給出了坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,建立了四旋翼無(wú)人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型,作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。其次,建立了加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)、超聲波測(cè)距儀和氣壓計(jì)等姿態(tài)傳感器和高度傳感器的測(cè)量模型和誤差模型,給出了傳感器靜態(tài)誤差的校正方案,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明校正方法的可行性。然后,給出了四旋翼無(wú)人機(jī)狀態(tài)估計(jì)問(wèn)題的描述,推導(dǎo)了基于Cramer-Rao下界的姿態(tài)和高度估計(jì)誤差下界表達(dá)式,并對(duì)所選擇的傳感器配置方案進(jìn)行了分析,針對(duì)姿態(tài)估計(jì)問(wèn)題給出了基于Mahony互補(bǔ)濾波和EKF的估計(jì)算法,針對(duì)高度估計(jì)問(wèn)題給出了基于AKF的估計(jì)算法,針對(duì)室內(nèi)無(wú)GPS環(huán)境下的位置估計(jì)問(wèn)題給出了基于地面標(biāo)志與慣性元件信息融合的位置估計(jì)算法。最后,給出了擬開(kāi)發(fā)的飛行控制系統(tǒng)軟件和硬件架構(gòu)設(shè)計(jì),搭建了包括模型、控制分配、控制算法等模塊的整套系統(tǒng)仿真平臺(tái)作為開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具。設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了狀態(tài)估計(jì)算法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：V279;V249.1

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本文編號(hào)：2791674