本文關(guān)鍵詞：四旋翼無人飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：四旋翼無人飛行器具有垂直起降、定點(diǎn)懸停、機(jī)動(dòng)靈活、帶載能力強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在軍民領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。四旋翼無人飛行器是一個(gè)非線性、欠驅(qū)動(dòng)、耦合性強(qiáng)的不穩(wěn)定系統(tǒng),其飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文研究對(duì)象為火災(zāi)救援四旋翼飛行器,圍繞其姿態(tài)估計(jì)、飛行控制進(jìn)行了深入研究,針對(duì)火災(zāi)救援的實(shí)際應(yīng)用需求,開展了四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。首先根據(jù)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和飛行原理,將飛行器六個(gè)自由度方向上的運(yùn)動(dòng)分為線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)。通過運(yùn)動(dòng)分析建立了飛行器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)飛行器的非線性、欠驅(qū)動(dòng)、耦合特性進(jìn)行了具體分析。四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)由姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)組成。姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)確估算飛行器的姿態(tài)信息。飛行控制系統(tǒng)以控制指令和姿態(tài)反饋?zhàn)鳛檩斎?通過姿態(tài)控制算法計(jì)算出各電機(jī)的控制量并發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),帶動(dòng)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)飛行的姿態(tài)調(diào)整。然后,根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,搭建了以MEMS傳感器、高性能STM32處理器為核心的硬件系統(tǒng),包括姿態(tài)采集、飛行控制、無線通信、避障等功能模塊,編寫了各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序,進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試,最終實(shí)現(xiàn)了各功能模塊穩(wěn)定可靠運(yùn)行,為姿態(tài)解算、數(shù)據(jù)融合、控制算法提供了基礎(chǔ)。在姿態(tài)估計(jì)中,通過對(duì)姿態(tài)測(cè)量傳感器模型誤差的分析,擬合得到誤差補(bǔ)償方程,利用四元數(shù)法對(duì)校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算,然后設(shè)計(jì)了多傳感器數(shù)據(jù)融合的卡爾曼濾波算法,對(duì)飛行器的姿態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)。在飛行控制中,基于四旋翼飛行器簡(jiǎn)化模型設(shè)計(jì)了串級(jí)PID控制器,針對(duì)飛行器的非線性特性設(shè)計(jì)了基于反步法的非線性控制器,通過MATLAB仿真對(duì)設(shè)計(jì)的控制算法進(jìn)行了分析驗(yàn)證。最后,將算法移植到四旋翼飛行器硬件平臺(tái)中,在實(shí)際環(huán)境中對(duì)飛行穩(wěn)定性、避障功能進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)證明了所設(shè)計(jì)的四旋翼飛行器能夠穩(wěn)定控制飛行姿態(tài),在復(fù)雜的環(huán)境中能夠自動(dòng)避開障礙物,滿足火災(zāi)救援的功能要求。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼無人飛行器 控制系統(tǒng) 多傳感器融合 串級(jí)PID控制 反步法
【學(xué)位授予單位】：河北工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V249;V279
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第1章 緒論10-17
• 1.1 選題意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-16
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容及組織結(jié)構(gòu)16-17
• 第2章 四旋翼飛行器姿態(tài)描述及建模17-26
• 2.1 四旋翼飛行器工作原理17-20
• 2.2 四旋翼飛行器模型建立20-25
• 2.2.1 坐標(biāo)系定義20-21
• 2.2.2 轉(zhuǎn)換矩陣21
• 2.2.3 飛行器動(dòng)力學(xué)模型21-25
• 2.3 本章小結(jié)25-26
• 第3章 四旋翼飛行器姿態(tài)估計(jì)26-33
• 3.1 慣導(dǎo)器件誤差模型26-27
• 3.2 基于四元數(shù)的姿態(tài)解算27-29
• 3.3 加速度計(jì)和磁力計(jì)得到的姿態(tài)角29-30
• 3.4 卡爾曼濾波算法30-32
• 3.5 本章小節(jié)32-33
• 第4章 四旋翼飛行器控制算法設(shè)計(jì)33-42
• 4.1 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)分析33
• 4.2 串級(jí)PID姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)33-35
• 4.3 反步法姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)35-37
• 4.4 位置回路控制器設(shè)計(jì)37-38
• 4.5 仿真結(jié)果及分析38-41
• 4.6 本章小節(jié)41-42
• 第5章 四旋翼飛行器軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42-57
• 5.1 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)42-52
• 5.1.1 四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)42-43
• 5.1.2 飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)43-47
• 5.1.3 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)47-52
• 5.2 四旋翼飛行器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)52-56
• 5.2.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)52-54
• 5.2.2 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)軟件54
• 5.2.3 數(shù)據(jù)通信軟件54-55
• 5.2.4 避障軟件55-56
• 5.3 本章小結(jié)56-57
• 第6章 飛行試驗(yàn)57-69
• 6.1 無線通信模塊測(cè)試57-59
• 6.1.1 空曠環(huán)境中通信質(zhì)量測(cè)試58-59
• 6.1.2 復(fù)雜環(huán)境下通信質(zhì)量測(cè)試59
• 6.2 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)調(diào)試59-63
• 6.2.1 靜置測(cè)試60-62
• 6.2.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試62-63
• 6.3 姿態(tài)位置控制器調(diào)試63-67
• 6.3.1 姿態(tài)控制器調(diào)試63-66
• 6.3.2 位置控制器調(diào)試66-67
• 6.4 避障功能調(diào)試67-68
• 6.5 本章小結(jié)68-69
• 總結(jié)與展望69-70
• 致謝70-71
• 參考文獻(xiàn)71-76
• 作者簡(jiǎn)介76-77
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文和參加科研情況77-78

【參考文獻(xiàn)】

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2 謝道文;基于數(shù)據(jù)挖掘的火災(zāi)分析模型及應(yīng)用研究[D];中南大學(xué);2014年

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