本文關鍵詞：微小型球形飛行器的研究與設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微小型飛行器因其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、便于攜帶，且飛行姿態(tài)靈活、航線軌跡可控，在軍用或民用領域具有良好的發(fā)展前途、廣闊的應用前景，在學術(shù)上也具有重要的研究意義。但是，當遇到空域狹小、障礙眾多、環(huán)境復雜等情況時，微小型飛行器就可能因發(fā)生碰撞而致墜落的風險大幅提高，所以微小型飛行器的飛行安全問題面臨嚴峻挑戰(zhàn)。從本質(zhì)來看，微小型飛行器的安全飛行性能好壞在一定程度上取決于其結(jié)構(gòu)設計理念與飛行控制技術(shù)，本文結(jié)合微小型飛行器的研究背景及意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析，針對微小型飛行器面臨的上述嚴峻挑戰(zhàn)，設計、研制出一款具有防撞避碰功能的微小型球形飛行器。 首先，本文根據(jù)課題技術(shù)要求和性能指標，通過對飛行方式、氣動布局形式不同方案的對比、分析，完成了“共軸雙旋翼、四控制舵面”微小型球形飛行器的總體方案設計，并闡明了其結(jié)構(gòu)特點、飛行方式和工作原理。然后，結(jié)合微小型球形飛行器的結(jié)構(gòu)特點、工作原理以及功能需要，對其飛行控制系統(tǒng)的硬件進行設計，制訂了硬件設計總體方案，完成了基于雙STM32的飛行控制器硬件電路設計和直流無刷電機電子調(diào)速器硬件電路設計；在基于雙STM32的飛行控制器硬件電路設計中，主要工作包括：控制芯片選型與設計，電源電路設計，遙控接收機接口電路設計，GPS接口電路設計，MS5611接口電路設計，超聲波傳感器接口電路設計，MPU6050+HMC5883接口電路設計，電調(diào)、舵機接口電路設計，SD卡接口電路設計等；在直流無刷電機電子調(diào)速器硬件電路設計中，主要工作包括：總體設計方案制定，控制芯片選型，電源電路設計，電機驅(qū)動電路設計，相電壓檢測電路設計等。進而，本文又對飛行控制系統(tǒng)的軟件體系進行了設計，制訂了軟件總體流程，完成了飛行控制系統(tǒng)軟件模塊化設計，主要工作包括：系統(tǒng)初始化、姿態(tài)解算、姿態(tài)信息存儲、飛行控制指令獲取、飛行控制指令傳輸、中斷優(yōu)先級設置、PWM輸出、姿態(tài)控制等。最后，本文在結(jié)構(gòu)設計、飛行控制系統(tǒng)軟硬件設計工作的基礎上，研制出該微小型球形飛行器的物理樣機，設計并完成了基于MPU6050姿態(tài)測量模塊的兩軸轉(zhuǎn)臺實驗、基于MS5611模塊的測試實驗、超聲波傳感器測試實驗、飛行器調(diào)試實驗（俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航通道控制實驗）、室外飛行試驗以及直流無刷電機速度閉環(huán)控制實驗等。 基于MPU6050姿態(tài)測量模塊的兩軸轉(zhuǎn)臺實驗結(jié)果表明：MPU6050DMP姿態(tài)解算靜態(tài)精度高，動態(tài)特性好，能夠在微小型球形飛行器的實際飛行過程中為其提供姿態(tài)參考信息；MS5611模塊與超聲波傳感器測試實驗的結(jié)果表明：MS5611和超聲波傳感器能夠穩(wěn)定、有效地開展工作，且實際工作性能良好；通過飛行器調(diào)試實驗（俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航通道控制實驗），確定了微小型球形飛行器俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航通道理想的PID控制參數(shù)；室外飛行試驗結(jié)果表明，該微小型球形飛行器能夠很好的完成垂直起降、空中懸浮等飛行動作，，且在飛行過程中姿態(tài)靈活、控制可靠、飛行穩(wěn)定。本文的研究成果表明，微小型球形飛行器設計方案可行，整體結(jié)構(gòu)合理，控制系統(tǒng)可靠、飛行性能良好，達到了微小型球形飛行器設計的預期效果，本文所得結(jié)論和成果可為相關飛行器的設計與研究提供借鑒與參考。
【關鍵詞】：微小型球形飛行器 共軸雙旋翼 四控制舵面 結(jié)構(gòu)設計 氣動布局 飛行控制系統(tǒng)
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1;V221
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-20
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀13-18
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析19-20
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)安排20-21
• 第2章 微小型球形飛行器總體方案設計21-30
• 2.1 概述21-22
• 2.2 微小型球形飛行器總體方案設計22-28
• 2.2.1 技術(shù)要求及性能指標22
• 2.2.2 飛行器類型選擇22-23
• 2.2.3 氣動布局安排與機體結(jié)構(gòu)設計23-28
• 2.2.4 飛行控制系統(tǒng)設計28
• 2.3 本章小結(jié)28-30
• 第3章 微小型球形飛行器飛行控制系統(tǒng)硬件設計30-44
• 3.1 飛行控制系統(tǒng)硬件設計總體方案30-31
• 3.2 基于雙 STM32 的飛行控制器硬件電路設計31-40
• 3.2.1 飛行控制器控制芯片選型與設計31-32
• 3.2.2 程序下載接口設計32-33
• 3.2.3 電源電路設計33
• 3.2.4 輸入接口電路設計33-38
• 3.2.5 輸出接口電路設計38-40
• 3.3 直流無刷電機電子調(diào)速器設計40-43
• 3.3.1 總體設計方案40
• 3.3.2 控制芯片選型40-41
• 3.3.3 電源電路設計41
• 3.3.4 電機驅(qū)動電路設計41-42
• 3.3.5 相電壓檢測電路設計42-43
• 3.4 本章小結(jié)43-44
• 第4章 微小型球形飛行器飛行控制系統(tǒng)軟件設計44-55
• 4.1 軟件設計開發(fā)環(huán)境簡介44-45
• 4.2 飛行控制系統(tǒng)軟件總體流程45-46
• 4.3 飛行控制系統(tǒng)軟件模塊化設計46-54
• 4.3.1 系統(tǒng)初始化46
• 4.3.2 姿態(tài)解算46-48
• 4.3.3 姿態(tài)信息存儲48-50
• 4.3.4 飛行控制指令獲取50-51
• 4.3.5 飛行控制指令傳輸51-52
• 4.3.6 中斷優(yōu)先級設置52-53
• 4.3.7 PWM 輸出53-54
• 4.3.8 姿態(tài)控制54
• 4.4 本章小結(jié)54-55
• 第5章 實（試）驗與分析55-66
• 5.1 MPU6050 姿態(tài)測量模塊兩軸轉(zhuǎn)臺實驗55-57
• 5.2 MS5611 模塊測試實驗57-58
• 5.3 超聲波傳感器測試實驗58-59
• 5.4 飛行器調(diào)試實驗59-63
• 5.4.1 俯仰（滾轉(zhuǎn)）通道控制實驗59-61
• 5.4.2 偏航通道控制實驗61-63
• 5.5 室外飛行試驗63-64
• 5.6 直流無刷電機速度閉環(huán)控制實驗64-65
• 5.6.1 實驗目的64-65
• 5.6.2 實驗步驟65
• 5.6.3 實驗數(shù)據(jù)分析65
• 5.7 本章小結(jié)65-66
• 結(jié)論66-68
• 參考文獻68-71
• 附錄71-77
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單77-78
• 致謝78

【參考文獻】

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  本文關鍵詞：微小型球形飛行器的研究與設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：280667