本文關(guān)鍵詞：基于嵌入式的四旋翼飛行器姿態(tài)控制設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 四旋翼飛行器 樣機(jī)設(shè)計(jì) 姿態(tài)解算 控制算法

【摘要】：隨著微小型處理器、傳感器、電機(jī)等技術(shù)的前進(jìn),以及姿態(tài)解算方法和控制算法的發(fā)展,多旋翼飛行器的研究和開發(fā)受到廣大科研院校及科技公司的關(guān)注。飛行器的姿態(tài)控制研究是其核心內(nèi)容之一,直接影響著其性能及推廣應(yīng)用。論文從學(xué)習(xí)研究四旋翼飛行器整體系統(tǒng)的角度出發(fā),選用低成本、高可靠性的微小型傳感器模塊及處理器設(shè)計(jì)四旋翼飛行器樣機(jī),旨在通過優(yōu)化數(shù)據(jù)處理及控制算法改善飛行器的穩(wěn)定性及可靠性,為開展飛行器完全自主飛行研究。首先,制定研究所需飛行器的設(shè)計(jì)要求,選用合適的機(jī)架及配套的電機(jī)、電子調(diào)速器(電調(diào))及供電鋰電池,初步構(gòu)成四旋翼的框架。設(shè)計(jì)了以STM32F103為主控微處理器,集成加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì),同時外擴(kuò)連接GPS模塊、超聲波、通信模塊等,實(shí)現(xiàn)飛行器的運(yùn)動及姿態(tài)相關(guān)信息的測量,完成了四旋翼飛行器的硬件的搭建。其次,對四旋翼飛行器的姿態(tài)解算及控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)。針對單一傳感器測量精度差、可靠性低的問題,設(shè)計(jì)了基于信息融合的姿態(tài)解算法,利用互補(bǔ)濾波的方法,將加速度、陀螺儀和磁力計(jì)的測量值根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行基于四元數(shù)法的綜合解算,得到姿態(tài)角的最優(yōu)估計(jì)；高度及位置測量中采用了分散卡爾曼濾波的融合算法,將超聲波、氣壓計(jì)、GPS和加速度計(jì)的測量值融合解算,得到高度和位置的最優(yōu)估計(jì),實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)位置信息的實(shí)時可靠獲取。同時根據(jù)四旋翼飛行器的動力學(xué)特點(diǎn)及控制策略,設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)PID的姿態(tài)角實(shí)時調(diào)整控制方法,以及基于姿態(tài)角控制的位置控制算法,提高飛行器的運(yùn)動穩(wěn)定性。最后,介紹了四旋翼飛行器的主要模塊的軟件設(shè)計(jì)及流程,在MDK-ARM v5嵌入式開發(fā)平臺上實(shí)現(xiàn)飛行器的軟件功能的設(shè)計(jì)及調(diào)試工作,針對飛行器的硬件平臺及模塊進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證,最后對飛行器進(jìn)行了試飛調(diào)試,驗(yàn)證其性能。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼飛行器 樣機(jī)設(shè)計(jì) 姿態(tài)解算 控制算法
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-18
• 1.1 發(fā)展歷程10-12
• 1.2 研究現(xiàn)狀12-14
• 1.3 應(yīng)用領(lǐng)域及前景14-15
• 1.4 關(guān)鍵技術(shù)及問題15-16
• 1.5 論文的主要內(nèi)容安排16-18
• 2 四旋翼飛行器樣機(jī)的總體設(shè)計(jì)及分析18-38
• 2.1 四旋翼飛行器樣機(jī)的搭建19-20
• 2.2 四旋翼飛行器的主控及傳感器部分設(shè)計(jì)20-31
• 2.2.1 核心處理器的選型與設(shè)計(jì)20-23
• 2.2.2 慣性傳感器的選型與設(shè)計(jì)23-26
• 2.2.3 氣壓計(jì)傳感器的選型與設(shè)計(jì)26-28
• 2.2.4 超聲波傳感器的選型與設(shè)計(jì)28-30
• 2.2.5 GPS模塊的選型與設(shè)計(jì)30-31
• 2.3 四旋翼的動力部分設(shè)計(jì)31-34
• 2.3.1 電源及其供電31-33
• 2.3.2 無刷電機(jī)及電調(diào)33-34
• 2.4 通信模塊設(shè)計(jì)34-35
• 2.5 四旋翼飛行器的整體功能35-36
• 2.6 總結(jié)36-38
• 3 四旋翼飛行器的姿態(tài)位置解算38-65
• 3.1 四旋翼飛行器的姿態(tài)解算40-55
• 3.1.1 姿態(tài)解算的方法40-43
• 3.1.2 基于四元數(shù)的姿態(tài)解算43-45
• 3.1.3 四旋翼飛行器的姿態(tài)角解算45-48
• 3.1.4 基于傳感器融合技術(shù)的四元數(shù)姿態(tài)解算48-53
• 3.1.5 仿真實(shí)驗(yàn)53-55
• 3.2 四旋翼飛行器的位置解算55-64
• 3.2.1 高度位置解算56-61
• 3.2.2 飛行器的水平位移速度解算61-62
• 3.2.3 仿真實(shí)驗(yàn)62-64
• 3.3 總結(jié)64-65
• 4 四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)65-75
• 4.1 四旋翼飛行器的運(yùn)動力學(xué)分析65-66
• 4.2 PID控制算法66-69
• 4.3 四旋翼的PID設(shè)計(jì)69-72
• 4.3.1 四旋翼飛行器的姿態(tài)PID設(shè)計(jì)69-71
• 4.3.2 四旋翼飛行器的位置PID設(shè)計(jì)71-72
• 4.4 仿真實(shí)驗(yàn)72-74
• 4.5 總結(jié)74-75
• 5 四旋翼飛行器開發(fā)及實(shí)現(xiàn)方法75-87
• 5.1 開發(fā)環(huán)境及工具75-76
• 5.2 四旋翼飛行器的軟件設(shè)計(jì)76-80
• 5.3 調(diào)試驗(yàn)證80-86
• 5.3.1 硬件電路的調(diào)試81-82
• 5.3.2 傳感器模塊測試82-83
• 5.3.3 控制設(shè)計(jì)調(diào)整83
• 5.3.4 四旋翼飛行器整體調(diào)試83-86
• 5.4 總結(jié)86-87
• 6 總結(jié)與展望87-89
• 參考文獻(xiàn)89-92
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及所取得的研究成果92-93
• 致謝93

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 宋亞平;淺談旋翼的防腐維護(hù)[J];航空維修與工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文編號：553426