本文關鍵詞：基于運動捕捉系統(tǒng)的四旋翼飛行器導航控制技術研究

  更多相關文章： 運動捕捉系統(tǒng) 四旋翼飛行器 導航控制系統(tǒng) 動力學建模 改進PID 反步法 地面站 測試平臺

【摘要】：四旋翼飛行器憑借其體積小、重量輕、操作性好、可垂直起降和定點懸停等優(yōu)勢,在軍事、民用和科技領域發(fā)揮著越來越重要的作用。四旋翼飛行器導航控制系統(tǒng)的設計是實現(xiàn)其自主飛行的關鍵,對四旋翼飛行器導航控制系統(tǒng)的研究具有重要的理論和工程應用價值。為了更好的對四旋翼飛行器的導航控制系統(tǒng)展開研究,消除傳統(tǒng)的機載傳感器設備對飛行器導航控制系統(tǒng)在實飛環(huán)境下的性能測試和評估帶來的影響。本文引入運動捕捉系統(tǒng),基于此搭建相應的測試平臺,對四旋翼飛行器的導航控制系統(tǒng)展開研究。首先,本文在調研和分析基于運動捕捉系統(tǒng)的四旋翼飛行器導航控制技術的研究現(xiàn)狀和關鍵技術的基礎上,選取了一種通用的四旋翼飛行器為研究對象,對四旋翼飛行器的結構組成和運動機理進行了分析,采用牛頓-歐拉法完成了飛行器動力學模型的建立。其次,基于建立的四旋翼飛行器的動力學模型,分別采用改進PID和反步法對四旋翼飛行器的控制系統(tǒng)進行了設計,Matlab/Simulink環(huán)境下的懸停測試和追蹤性能測試的仿真結果表明了所設計的控制器的有效性和正確性。再次,引入運動捕捉系統(tǒng),對運動捕捉系統(tǒng)的運行機理進行了分析,研究了一種運動捕捉系統(tǒng)下飛行器導航信息的獲取方法并進行了實驗驗證,實驗結果證明了該方法的可行性和獲取的導航數據的正確性�；赩S 2008開發(fā)工具設計并開發(fā)了配套的地面站軟件系統(tǒng),定義了相應的數據傳輸協(xié)議,完成了四旋翼飛行器測試平臺的搭建。最后,根據四旋翼飛行器導航控制系統(tǒng)的設計要求,對四旋翼飛行器的導航控制系統(tǒng)進行了軟硬件設計。在搭建的飛行器測試平臺下,利用設計的導航控制系統(tǒng)進行了實際的飛行實驗。實驗結果表明,設計的導航控制系統(tǒng)的各個硬件模塊均能正常工作,滿足系統(tǒng)在體積、重量、功耗和穩(wěn)定性等方面的要求;設計的軟件的流程和架構合理可行,可靠性高;設計的地面站系統(tǒng)能夠很好的完成數據的接收、處理、顯示、存儲和發(fā)送等全部功能,與運動捕捉系統(tǒng)和飛行器間的配合良好,能夠滿足飛行器實際飛行測試的需求;設計的控制器能夠很好的完成對四旋翼飛行器的位置和姿態(tài)控制,具有較好的控制效果。
【關鍵詞】：運動捕捉系統(tǒng) 四旋翼飛行器 導航控制系統(tǒng) 動力學建模 改進PID 反步法 地面站 測試平臺
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注釋表13-15
• 縮略詞15-16
• 第一章 緒論16-26
• 1.1 課題研究的背景與意義16-17
• 1.2 四旋翼飛行器研究中的關鍵技術17-18
• 1.2.1 四旋翼飛行器關鍵技術分析17-18
• 1.2.2 運動捕捉系統(tǒng)在四旋翼飛行器研究中的應用18
• 1.3 基于運動捕捉系統(tǒng)的四旋翼飛行器導航控制技術研究現(xiàn)狀18-24
• 1.4 本文的研究內容和章節(jié)安排24-26
• 1.4.1 研究目標24
• 1.4.2 研究內容和章節(jié)安排24-26
• 第二章 四旋翼飛行器的機理分析與建模26-37
• 2.1 引言26
• 2.2 四旋翼飛行器的組成和結構配置26-27
• 2.3 四旋翼飛行器的運動機理分析27-29
• 2.4 四旋翼飛行器牛頓-歐拉法建模29-36
• 2.4.1 坐標系定義和轉換關系30-31
• 2.4.2 建模前的基本假設31-32
• 2.4.3 動力學模型的建立32-36
• 2.5 本章小結36-37
• 第三章 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)設計與仿真37-52
• 3.1 引言37
• 3.2 飛行器控制系統(tǒng)的組成和總體結構37
• 3.3 飛行器控制系統(tǒng)設計的限制因素和注意事項分析37-38
• 3.4 基于改進PID的飛行器控制系統(tǒng)設計38-42
• 3.4.1 基于改進PID的姿態(tài)控制器設計39-40
• 3.4.2 基于改進PID的位置控制器設計40-42
• 3.5 基于反步法的飛行器控制系統(tǒng)設計42-45
• 3.5.1 基于反步法的姿態(tài)控制器設計43-44
• 3.5.2 基于反步法的位置控制器設計44-45
• 3.6 四旋翼飛行器控制系統(tǒng)仿真與分析45-51
• 3.7 本章小結51-52
• 第四章 基于運動捕捉系統(tǒng)的四旋翼飛行器測試平臺搭建52-66
• 4.1 引言52
• 4.2 飛行器測試平臺搭建及說明52-53
• 4.2.1 飛行器測試平臺的總體結構52-53
• 4.2.2 飛行器測試平臺的研究意義53
• 4.3 測試平臺運動捕捉系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)53-61
• 4.3.1 運動捕捉系統(tǒng)設計與搭建53-56
• 4.3.2 運動捕捉系統(tǒng)下導航信息的獲取算法56-57
• 4.3.3 運動捕捉系統(tǒng)下導航信息獲取算法的分析與驗證57-61
• 4.4 測試平臺地面站軟件的設計與開發(fā)61-65
• 4.4.1 地面站軟件的設計要求和思路61-62
• 4.4.2 地面站軟件的功能設計和工作流程62-64
• 4.4.3 地面站軟件設計中的關鍵技術64-65
• 4.5 本章小結65-66
• 第五章 四旋翼飛行器導航控制系統(tǒng)的軟硬件設計與飛行實驗66-83
• 5.1 引言66
• 5.2 四旋翼飛行器導航控制系統(tǒng)的架構66-67
• 5.3 四旋翼飛行器導航控制系統(tǒng)的軟硬件設計67-75
• 5.3.1 導航控制系統(tǒng)設計要求67-68
• 5.3.2 導航控制系統(tǒng)硬件設計68-70
• 5.3.3 導航控制系統(tǒng)軟件設計70-75
• 5.4 基于測試平臺的四旋翼飛行器飛行實驗75-81
• 5.4.1 四旋翼飛行器靜態(tài)實驗75-77
• 5.4.2 四旋翼飛行器懸停實驗77-79
• 5.4.2 四旋翼飛行器航路點追蹤實驗79-81
• 5.5 本章小結81-83
• 第六章 總結與展望83-85
• 6.1 本文工作總結83-84
• 6.2 進一步工作展望84-85
• 參考文獻85-90
• 致謝90-91
• 在學期間的研究成果及發(fā)表的學術論文91

【參考文獻】

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本文編號：570454