本文關鍵詞：多旋翼無人機的嵌入式自主飛行控制系統(tǒng)設計

  更多相關文章： 雙芯片 自主飛行 uC/OSⅡ ARHS設計 INS設計

【摘要】：本文以多旋翼無人機為研究對象,依據(jù)多旋翼無人機的特點,設計出一套通用的嵌入式自主飛行控制系統(tǒng),使各式各樣的多旋翼無人機能夠搭載這套硬件系統(tǒng)進行控制飛行。本文的主要內(nèi)容如下： (1)根據(jù)控制系統(tǒng)高實時性以及能夠進行多任務處理的性能要求,設計了控制系統(tǒng)的硬件電路。采用一種新型的雙芯片處理器架構,并且給出了整個硬件的傳感器設計電路、電源電路、隔離電路等。 (2) uC/OS Il(Micro Control Operation System Two)是一種可固化的、可裁剪的、搶占式的、實時多任務內(nèi)核,尤其適合飛行控制系統(tǒng)。故為了提高控制系統(tǒng)的可維護性和實時性,本文采用uC/OS Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)來進行系統(tǒng)管理。文中給出了uC/OS Ⅱ詳細的移植要求和步驟,最后在硬件控制系統(tǒng)中成功移植。 (3)對無人機導航算法的應用進行了研究,分別是基于擴展卡爾曼的ARHS (Attitude Heading Refernce System)設計和INS (Inertial Navigation System)設計。ARHS主要提供姿態(tài)角信息,而為了提高姿態(tài)角推算的準確性,本文提出一種將動加速度作為噪聲加入到觀測方程,陀螺的偏移誤差加入到狀態(tài)方程,聯(lián)合推算姿態(tài)角的算法。INS主要是推算出速度信息和位置信息,針對GPS信號的不準確性,提出一種利用加速度計和氣壓計聯(lián)合補償推算的算法。通過將設計的算法嵌入到控制系統(tǒng)中,將算法輸出結果與商用MTI-G進行比較,結果證明導航算法準確性較高。 (4)以四旋翼無人機為研究對象,進行姿態(tài)、速度和位置的建模,采用不完全微分PID方法設計控制器。并通過實驗飛行證明設計的控制系統(tǒng)行之有效。 通過上述工作,本文設計的雙芯片控制系統(tǒng)已經(jīng)搭載于各類多旋翼無人機中進行控制飛行,為無人機的研究提供了一種可裁剪、可維護且價格低廉的控制平臺,方便使用人員進行二次開發(fā)。
【關鍵詞】：雙芯片 自主飛行 uC/OSⅡ ARHS設計 INS設計
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 目錄3-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 第一章 緒論7-14
• 1.1 課題研究背景及意義7-10
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢10-13
• 1.3 本文研究內(nèi)容和組織結構13-14
• 第二章 基礎理論14-26
• 2.1 坐標系定義14-15
• 2.2 姿態(tài)角定義15-16
• 2.3 四元數(shù)理論16-18
• 2.4 卡爾曼濾波理論18-23
• 2.4.1 線性離散系統(tǒng)的卡爾曼濾波18-19
• 2.4.2 擴展卡爾曼濾波器19-23
• 2.5 控制理論23-26
• 2.5.1 PID控制理論23-24
• 2.5.2 不完全微分PID控制理論24-26
• 第三章 多旋翼無人機硬件設計26-39
• 3.1 多旋翼無人機的特點26-27
• 3.2 多旋翼無人機的性能指標要求及總體控制方案27-28
• 3.3 飛行控制系統(tǒng)的硬件設計28-38
• 3.3.1 電源模塊設計28-29
• 3.3.2 處理器模塊29-30
• 3.3.3 傳感器模塊30-34
• 3.3.4 數(shù)據(jù)采集模塊34-36
• 3.3.5 無線通訊模塊36-37
• 3.3.6 PWM輸出模塊37-38
• 3.4 PCB布局38
• 3.5 本章小結38-39
• 第四章 多旋翼無人機的嵌入式軟件系統(tǒng)設計39-56
• 4.1 軟件系統(tǒng)要求39
• 4.2 uC/OSⅡ簡介39-43
• 4.3 uC/OSⅡ移植43-48
• 4.3.1 軟件開發(fā)環(huán)境43
• 4.3.2 UC/OSⅡ移植43-48
• 4.4 系統(tǒng)任務方案48-55
• 4.5 本章小結55-56
• 第五章 自主飛行導航算法研究56-65
• 5.1 姿態(tài)與航向參考系統(tǒng)(ARHS)設計56-59
• 5.1.1 姿態(tài)和航向估計算法56-58
• 5.1.2 擴展卡爾曼設計58-59
• 5.2 慣性導航系統(tǒng)(INS)設計59-62
• 5.2.1 高度測量61
• 5.2.2 擴展卡爾曼設計61-62
• 5.3 算法可行性驗證62-64
• 5.4 本章小結64-65
• 第六章 多旋翼無人機控制器設計65-72
• 6.1 控制器設計65-71
• 6.2 本章小結71-72
• 第七章 實驗及實驗分析72-76
• 7.1 姿態(tài)飛行72-73
• 7.2 速度飛行73-74
• 7.3 位置飛行74-75
• 7.4 本章小結75-76
• 第八章 結論與展望76-77
• 8.1 總結76
• 8.2 展望76-77
• 致謝77-78
• 參考文獻78-82
• 專利和論文發(fā)表情況82

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李科杰,宋萍;微小型無人系統(tǒng)技術在未來戰(zhàn)爭中的重要意義及發(fā)展動向[J];傳感器世界;2004年01期

2 吳賢英;陸運華;;PCB布線常用技巧[J];電子制作;2006年09期

3 趙天成;饒和昌;;一種基于MS5803和氣象數(shù)據(jù)的高度測量方法[J];電子設計工程;2011年14期

4 邴守東;李國林;;不完全微分PID控制算法研究與仿真實驗[J];電子工業(yè)專用設備;2013年01期

5 袁安富;徐金琦;王偉;馬浩;;基于雙STM32多旋翼無人機控制系統(tǒng)設計[J];電子技術應用;2013年11期

6 吳立新;劉平生;盧健;;無人機分類研究[J];洪都科技;2005年03期

7 李鐘慎;基于MATLAB設計巴特沃斯低通濾波器[J];信息技術;2003年03期

8 曹娟娟;房建成;盛蔚;陶冶;;低成本多傳感器組合導航系統(tǒng)在小型無人機自主飛行中的研究與應用[J];航空學報;2009年10期

9 田明;徐平;黃國輝;姜周曙;;基于STM32和μC/OS-Ⅱ的USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J];機電工程;2012年04期

10 劉淼;王田苗;魏洪興;陳友東;;基于uCOS-II的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)實時性分析[J];計算機工程;2006年22期

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本文編號：522399