發(fā)布時間：2017-05-17 04:10

  本文關(guān)鍵詞：微型四旋翼無人機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：微小型多旋翼無人機在軍事、民用和科技領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。旋翼無人機具有體積小、質(zhì)量輕、無人駕駛、可垂直起降和定點懸停、操作性好等優(yōu)勢。無人機飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計是實現(xiàn)無人機自主飛行的關(guān)鍵與核心，飛行控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接決定了旋翼無人機的飛行性能及其完成任務(wù)的情況。因此研制適合多旋翼無人機的輕型化、低成本、低功耗的飛行控制系統(tǒng)具有重要的理論價值和工程應(yīng)用價值。 本文選取微型四旋翼無人機（Micro-4-rotor，M4R）為研究對象和平臺。在分析其結(jié)構(gòu)形式及工作原理的基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計相應(yīng)的控制策略，通過仿真分析驗證其控制策略的可行性；針對M4R對載荷、成本、功耗、體積等方面的要求，系統(tǒng)地給出了該飛行控制系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計方案，根據(jù)模塊化思想進行了飛行控制計算機、傳感器模塊、電源模塊、執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊、遙控?zé)o線鏈路、通訊無線鏈路以及其飛行控制地面站等模塊的設(shè)計和實現(xiàn)；應(yīng)用Allan方差分析方法、FFT變換法分析傳感器原始數(shù)據(jù)，設(shè)計實現(xiàn)了基于四元數(shù)的Kalman濾波姿態(tài)融合算法和互補濾波姿態(tài)融合算法的姿態(tài)參考系統(tǒng)，并對兩種算法的效果進行比較分析；分析并結(jié)合M4R飛行控制系統(tǒng)性能要求，給出了M4R飛行控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想及包含軟件總體設(shè)計與系統(tǒng)初始化、傳感器模塊、信號輸入輸出模塊、軌跡控制回路模塊的軟件實現(xiàn)流程；定義了相關(guān)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，并設(shè)計了基于Qt的飛行控制地面站，以實時獲取飛行數(shù)據(jù)；最后搭建相應(yīng)測試平臺，進行M4R姿態(tài)參考系統(tǒng)及飛行控制地面站軟件測試，并通過地面飛行實驗驗證飛行控制系統(tǒng)軟件、硬件及可行性與可靠性。 飛行實驗數(shù)據(jù)及試驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的M4R飛行控制系統(tǒng)的各個硬件模塊工作正常，散熱小，，滿足設(shè)計要求；其軟件設(shè)計流程架構(gòu)合理可行；所設(shè)計的姿態(tài)參考系統(tǒng)滿足M4R飛行器對姿態(tài)的精度要求；本文設(shè)計的飛行控制地面站滿足實際飛行及飛行測試需求，具有較強的靈活性和良好的實時性；多個飛行試驗平臺驗證本文所采用的控制算法滿足M4R飛行器對飛行控制的要求。
【關(guān)鍵詞】：多旋翼 無人機 飛行控制系統(tǒng) 姿態(tài)參考系統(tǒng) 地面站
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：V249
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-15
• 第一章 緒論15-22
• 1.1 研究背景與意義15-16
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展16-18
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀18
• 1.3 四旋翼無人機研究中的關(guān)鍵技術(shù)18-19
• 1.3.1 微型四旋翼無人機特點18
• 1.3.2 四旋翼無人機飛行控制系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)18-19
• 1.4 課題研究的內(nèi)容以及章節(jié)安排19-22
• 1.4.1 研究目標(biāo)19-20
• 1.4.2 研究內(nèi)容和章節(jié)安排20-22
• 第二章 M4R 運動建模與控制律設(shè)計22-35
• 2.1 引言22
• 2.2 M4R 工作原理及其組成22-25
• 2.2.1 M4R 工作原理22-24
• 2.2.2 M4R 組成24-25
• 2.3 M4R 的數(shù)學(xué)模型25-29
• 2.3.1 坐標(biāo)系定義25-26
• 2.3.2 動力學(xué)建模26
• 2.3.3 M4R 角運動模型26-29
• 2.3.4 M4R 線運動模型29
• 2.4 M4R 控制律設(shè)計29-31
• 2.4.1 M4R 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)29-30
• 2.4.2 M4R 穩(wěn)定回路控制律設(shè)計30-31
• 2.4.3 M4R 制導(dǎo)回路控制律設(shè)計31
• 2.5 飛行控制系統(tǒng)仿真分析31-34
• 2.6 本章小結(jié)34-35
• 第三章 M4R 飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計35-43
• 3.1 引言35
• 3.2 M4R 飛行控制系統(tǒng)需求分析35-36
• 3.3 M4R 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計方案36-37
• 3.4 M4R 飛行控制系統(tǒng)各組成模塊硬件設(shè)計37-41
• 3.4.1 飛控計算機37-38
• 3.4.2 傳感器模塊38-39
• 3.4.3 執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動模塊39-40
• 3.4.4 遙控?zé)o線鏈路模塊40
• 3.4.5 通信無線鏈路模塊40
• 3.4.6 電源系統(tǒng)模塊40-41
• 3.5 M4R 飛行控制系統(tǒng)硬件電路實現(xiàn)41-42
• 3.6 本章小結(jié)42-43
• 第四章 飛行姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)43-56
• 4.1 引言43
• 4.2 傳感器誤差特性分析43-48
• 4.2.1 MEMS 陀螺儀誤差分析及校正43-46
• 4.2.2 MEMS 加速度計原始數(shù)據(jù)分析及預(yù)處理46-48
• 4.3 基于四元數(shù)卡爾曼濾波算法的姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計48-53
• 4.3.1 四元數(shù)介紹48-49
• 4.3.2 卡爾曼濾波器介紹49-50
• 4.3.3 基于四元數(shù)卡爾曼濾波器姿態(tài)參考系統(tǒng)實現(xiàn)50-53
• 4.4 基于互補濾波器的姿態(tài)參考系統(tǒng)設(shè)計53-54
• 4.5 姿態(tài)參考系統(tǒng)飛行實驗54-55
• 4.6 本章小結(jié)55-56
• 第五章 M4R 飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計56-74
• 5.1 引言56
• 5.2 軟件總體設(shè)計與系統(tǒng)初始化56-59
• 5.2.1 軟件總體設(shè)計56-57
• 5.2.2 系統(tǒng)初始化57-59
• 5.3 傳感器模塊軟件設(shè)計59-64
• 5.3.1 姿態(tài)參考系統(tǒng)軟件設(shè)計60-62
• 5.3.2 位置定位系統(tǒng)軟件設(shè)計62-64
• 5.4 信號輸入輸出模塊設(shè)計64-66
• 5.4.1 遙控信號輸入解碼模塊64-65
• 5.4.2 I~2C 電調(diào)控制信號輸出模塊65-66
• 5.5 軌跡控制回路軟件設(shè)計66-67
• 5.6 飛行控制地面站設(shè)計67-73
• 5.6.1 飛行控制地面站通訊協(xié)議設(shè)計67-69
• 5.6.2 遙控信號初始化通訊協(xié)議設(shè)計69-70
• 5.6.3 基于 Qt 的飛行控制地面站軟件設(shè)計70-73
• 5.7 本章小結(jié)73-74
• 第六章 M4R 飛行實驗74-85
• 6.1 引言74
• 6.2 姿態(tài)參考系統(tǒng)測試74-76
• 6.3 飛行控制地面站測試76-80
• 6.4 地面飛行測試80-84
• 6.5 本章小結(jié)84-85
• 第七章 總結(jié)與展望85-87
• 7.1 本文的主要工作85
• 7.2 進一步展望85-87
• 參考文獻87-91
• 致謝91-92
• 在攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文92

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 宿敬亞;樊鵬輝;蔡開元;;四旋翼飛行器的非線性PID姿態(tài)控制[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報;2011年09期

2 秦勇;臧希U

本文編號：372514