本文關(guān)鍵詞：基于NI myRIO的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與研究

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【摘要】：四旋翼作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降獨(dú)特的無人機(jī)飛行器,在軍事、民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,如執(zhí)行地形偵察任務(wù),協(xié)助醫(yī)療搜救,尋找災(zāi)源等。但四旋翼飛行器的研究開發(fā)通常復(fù)雜困難且成本較高難以實(shí)現(xiàn),所以大部分項(xiàng)目通常在軍方和高校進(jìn)行。在此背景下,本課題將四旋翼飛行器作為研究對象,主要圍繞基于卡爾曼濾波方法的數(shù)據(jù)融合和飛行控制這兩個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行討論。根據(jù)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,選用由NI公司開發(fā)集成了雙核ARM Cortex-A9處理器的NI myRIO-1900作為主控制器,選用高集成度MPU-6050傳感器芯片實(shí)時(shí)采集飛行姿態(tài)角數(shù)據(jù),并結(jié)合卡爾曼濾波方法將采集的加速度信號和角速度信號進(jìn)行融合處理。本課題涉及的基本原理包括動(dòng)力學(xué)建模和控制理論。首先分析四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)理論后建立了歐拉角方程模型,根據(jù)飛行系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型選用經(jīng)典PID作為主要控制算法設(shè)計(jì)了姿態(tài)控制器。PID控制器的輸入信號為經(jīng)卡爾曼濾波器進(jìn)行姿態(tài)解算后的角度數(shù)據(jù),PID控制器的輸出信號通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,最終實(shí)現(xiàn)對飛行器的姿態(tài)控制。基于軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)的模塊化思路,用LabVIEW圖形化語言編寫通信、濾波、控制、驅(qū)動(dòng)等模塊算法程序。然后進(jìn)行了大量軟硬件調(diào)試和基礎(chǔ)功能測試,驗(yàn)證了本課題所設(shè)計(jì)的飛行器的各個(gè)模塊均能正常工作,搭建的硬件平臺具有一定可靠性;進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的姿態(tài)估計(jì)算法和控制算法的有效性。經(jīng)過實(shí)際飛行驗(yàn)證,基于卡爾曼濾波算法設(shè)計(jì)的PID控制器基本滿足系統(tǒng)要求,本次設(shè)計(jì)初步完成了實(shí)驗(yàn)平臺的搭建,為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼飛行器 卡爾曼濾波器 PID控制 LabVIEW
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V275.1
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-13
• 第一章 緒論13-21
• 1.1 課題研究背景13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.1 四旋翼的研究現(xiàn)狀14-16
• 1.2.2 慣性航姿測量研究現(xiàn)狀16
• 1.2.3 飛行控制研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3 課題研究內(nèi)容18-20
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容18-19
• 1.3.2 本文主要工作19-20
• 1.3.3 本文結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系20
• 1.4 本章小結(jié)20-21
• 第二章 四旋翼飛行器理論模型21-39
• 2.1 四旋翼動(dòng)力學(xué)21-25
• 2.1.1 地面坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系22
• 2.1.2 歐拉角22-23
• 2.1.3 旋轉(zhuǎn)矩陣23-24
• 2.1.4 角速度24-25
• 2.2 剛體動(dòng)力學(xué)25-27
• 2.2.1 線性運(yùn)動(dòng)25-26
• 2.2.2 角運(yùn)動(dòng)26
• 2.2.3 張量的慣量矩26-27
• 2.3 力與控制27-28
• 2.4 機(jī)載傳感器28-30
• 2.4.1 陀螺儀29
• 2.4.2 加速度計(jì)29-30
• 2.5 卡爾曼濾波（KF）簡介30-33
• 2.5.1 應(yīng)用于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的卡爾曼濾波器31
• 2.5.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）31-33
• 2.6 狀態(tài)空間表示擴(kuò)展卡爾曼濾波33-37
• 2.6.1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型33
• 2.6.2 線速度33-34
• 2.6.3 角速度34
• 2.6.4 歐拉角34
• 2.6.5 整體模型34-35
• 2.6.6 加速度計(jì)35
• 2.6.7 測量模型35-36
• 2.6.8 線性化36-37
• 2.7 本章小結(jié)37-39
• 第三章 四旋翼飛行系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)39-51
• 3.1 四旋翼飛行器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)39-40
• 3.2 四旋翼飛行器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型40-49
• 3.2.1 主控模塊40-45
• 3.2.2 電源模塊45-46
• 3.2.3 驅(qū)動(dòng)模塊46-47
• 3.2.4 傳感器模塊47-49
• 3.3 四旋翼飛行器機(jī)械組成49-50
• 3.4 本章小結(jié)50-51
• 第四章 四旋翼飛行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)51-63
• 4.1 總體設(shè)計(jì)51-52
• 4.2 卡爾曼濾波估計(jì)52-54
• 4.3 PID控制54-56
• 4.3.1 總體設(shè)計(jì)方案54
• 4.3.2 增量式PID54-55
• 4.3.3 姿態(tài)控制55-56
• 4.4 上位機(jī)LabVIEW平臺56-62
• 4.4.1 LabVIEW平臺簡介56-57
• 4.4.2 前面板控件的布局及界面設(shè)計(jì)57-58
• 4.4.3 后面板程序的主要部分具體步驟58-62
• 4.5 本章小結(jié)62-63
• 第五章 仿真與實(shí)驗(yàn)63-75
• 5.1 硬件測試63-66
• 5.1.1 電源，電機(jī)和螺旋槳63-65
• 5.1.2 濾波器65-66
• 5.1.3 MPU-6050傳感器66
• 5.2 軟件測試66-73
• 5.2.1 濾波測試66-68
• 5.2.2 俯仰和橫滾控制測試68-69
• 5.2.3 偏航角控制測試69-70
• 5.2.4 PID控制測試70-73
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論73
• 5.4 本章小結(jié)73-75
• 第六章 總結(jié)與展望75-77
• 6.1 研究成果總結(jié)75
• 6.2 研究前景展望75-77
• 參考文獻(xiàn)77-81
• 致謝81-83
• 攻讀碩士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文83

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中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 F.A.法魯基;R.C.戴維斯;高自功;;跟蹤目標(biāo)用的卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)[J];國外艦船技術(shù).雷達(dá)與對抗;1982年08期

2 黃建國;樊成;郭建中;;卡爾曼濾波器分解譜圖重疊峰[J];分析儀器;1983年04期

3 卓兆水;;具有輸入估計(jì)跟蹤方案的無檢測全修正卡爾曼濾波器[J];火控雷達(dá)技術(shù);1984年04期

4 范雨臣;;用卡爾曼濾波器對河流的水位和流量進(jìn)行預(yù)報(bào)[J];水電能源科學(xué);1989年02期

5 葉 斌,徐 毓;強(qiáng)跟蹤濾波器與卡爾曼濾波器對目標(biāo)跟蹤的比較[J];空軍雷達(dá)學(xué)院學(xué)報(bào);2002年02期

6 劉冀春,李明;改進(jìn)卡爾曼濾波器作動(dòng)態(tài)諧波估計(jì)[J];四川電力技術(shù);2005年S1期

7 杜云峰;;卡爾曼濾波器在過程估計(jì)中的應(yīng)用[J];機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新;2007年04期

8 盧秀和;魏坤;謝新月;;卡爾曼濾波器在球桿系統(tǒng)噪聲抑制中的應(yīng)用[J];南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年01期

9 蘇中;陳汐;張霞;;捷聯(lián)慣導(dǎo)尋北中卡爾曼濾波器的設(shè)計(jì)[J];北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2011年04期

10 郝燕玲;楊峻巍;陳亮;郝金會(huì);;平方根容積卡爾曼濾波器[J];彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào);2012年02期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 李明;楊洪耕;劉立生;;新型自適應(yīng)卡爾曼濾波器作動(dòng)態(tài)諧波估計(jì)[A];2004年電力電容器學(xué)會(huì)論文集[C];2004年

2 苑薇薇;王建輝;;采用推廣卡爾曼濾波器估計(jì)入射波參數(shù)[A];1997中國控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1997年

3 姜義德;鐘潁秀;張帆人;;以限制型卡爾曼濾波器估測位置與姿態(tài)(英文)[A];第七屆海峽兩岸工程力學(xué)研討會(huì)論文摘要集[C];2011年

4 馬馳州;楊亦春;李曉東;;多模型卡爾曼濾波器在聲定位中的應(yīng)用[A];中國聲學(xué)學(xué)會(huì)2006年全國聲學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2006年

5 張勇軍;李小占;楊志剛;;動(dòng)態(tài)優(yōu)化漸消因子的強(qiáng)跟蹤卡爾曼濾波器研究[A];中國自動(dòng)化學(xué)會(huì)控制理論專業(yè)委員會(huì)C卷[C];2011年

6 房媛媛;李亞安;李曉花;白曉娟;;Cubature-Kalman濾波及性能分析[A];中國聲學(xué)學(xué)會(huì)第九屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

7 韓光宇;;組合導(dǎo)航中卡爾曼濾波器之淺見[A];中國航海學(xué)會(huì)優(yōu)秀論文文摘及學(xué)術(shù)會(huì)議論文目次匯編（1990—1991）[C];1992年

8 張建偉;伍蔡倫;謝松;;卡爾曼濾波器在RTK處理中的應(yīng)用[A];第三屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集——S08衛(wèi)星導(dǎo)航模型與方法[C];2012年

9 張雷;王建宇;戴寧;;基于模糊融合的GPS/INS算法研究(英文)[A];全國第19屆計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用（CACIS）學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊）[C];2008年

10 顧明武;陳熙源;;RBFNN輔助卡爾曼濾波器在GPS/SINS組合導(dǎo)航中的應(yīng)用[A];2008年船舶通信導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2008年

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1 張巍;卡爾曼濾波器在帶寬測量中的應(yīng)用[D];電子科技大學(xué);2015年

2 張巖巖;視頻監(jiān)控中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識別與跟蹤研究[D];河北科技大學(xué);2015年

3 賈春肖;序列圖像中的目標(biāo)跟蹤方法研究[D];北京交通大學(xué);2016年

4 李方良;基于NI myRIO的四旋翼飛行器的設(shè)計(jì)與研究[D];太原理工大學(xué);2016年

5 邱燕平;退化故障下設(shè)備可靠性的卡爾曼濾波器預(yù)測方法[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

6 葛磊;非希爾伯特空間濾波研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

7 臧曉蕾;基于卡爾曼濾波器的船用雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法研究及性能分析[D];大連海事大學(xué);2011年

8 楊丹;卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[D];湘潭大學(xué);2014年

9 王寒芷;基于卡爾曼濾波器的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)異常檢測方法[D];上海交通大學(xué);2010年

10 王凱;融合卡爾曼濾波和Mean Shift的尺度自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2013年

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本文編號：624207