本文關(guān)鍵詞：四軸飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計及其姿態(tài)解算和控制算法研究

  更多相關(guān)文章： 四軸飛行器 IIR低通濾波器 姿態(tài)解算 系統(tǒng)辨識 PID控制器

【摘要】：四軸飛行器是一種結(jié)構(gòu)新穎,飛行方式獨特,性能卓越的可垂直升降多旋翼飛行器,在近幾年軍用和民用無人機領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的地位。關(guān)于四軸飛行器的各方面研究工作也在近幾年不斷進行全面、深入的開展,本文從四軸飛行器基本原理到系統(tǒng)設(shè)計,再到姿態(tài)解算和控制進行了具體研究。首先,本文介紹了四軸飛行器研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景,并對四軸飛行器基本原理、飛行姿態(tài)的歐拉角和四元數(shù)姿態(tài)表示以及數(shù)學(xué)模型及其辨識方法進行了研究。根據(jù)四軸飛行器系統(tǒng)功能,設(shè)計了系統(tǒng)硬件電路原理圖和PCB,并完成焊接、安裝和調(diào)試,搭建了四軸飛行器硬件平臺。其次,在MDK開發(fā)環(huán)境中,成功將uCOS-III操作系統(tǒng)移植到STM32主控芯片,并對各系統(tǒng)子任務(wù)進行設(shè)計。其中,對NRF24L01無線模塊的雙向通信以及系統(tǒng)內(nèi)部串口通信任務(wù)進行了詳細設(shè)計,開發(fā)了穩(wěn)定的軟件調(diào)試平臺。在此基礎(chǔ)之上,著重對MPU6050陀螺儀和加速度計信號噪聲進行了研究和分析,運用MATLAB輔助設(shè)計了IIR低通濾波器有效濾除電機震動噪聲。對互補濾波法、卡爾曼濾波法和四元數(shù)法姿態(tài)解算進行了研究和比較,最終采用MPU6050內(nèi)部DMP解算作為本系統(tǒng)姿態(tài)解算主要方法。最后,對四軸飛行器實物進行了最小二乘法系統(tǒng)辨識實驗,成功辨識了四軸飛行器姿態(tài)控制實際數(shù)學(xué)模型。針對該數(shù)學(xué)模型設(shè)計了PID姿態(tài)控制器,對系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制效果進行了理論分析與實際實驗的交互研究。最終取得了良好的姿態(tài)控制效果,同時對本文的研究不足和缺點進行了反思和總結(jié),提出了進一步研究工作的規(guī)劃和展望。
【關(guān)鍵詞】：四軸飛行器 IIR低通濾波器 姿態(tài)解算 系統(tǒng)辨識 PID控制器
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249.12
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-17
• 1.1 課題背景及研究意義10-12
• 1.1.1 四軸飛行器介紹11
• 1.1.2 發(fā)展前景及研究意義11-12
• 1.2 四軸飛行器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀15
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容15-17
• 第二章 四軸飛行器工作原理及數(shù)學(xué)模型17-33
• 2.1 四軸飛行器基本結(jié)構(gòu)及飛行原理17-22
• 2.1.1 坐標系的建立17-19
• 2.1.2 飛行原理19-22
• 2.2 飛行姿態(tài)的表示和運算22-25
• 2.2.1 歐拉角法23-24
• 2.2.2 四元數(shù)法24-25
• 2.3 四軸飛行器數(shù)學(xué)模型機理分析25-29
• 2.3.1 四軸飛行器外力平衡方程25-26
• 2.3.2 四軸飛行器外力矩平衡方程26-28
• 2.3.3 四軸飛行器動力學(xué)模型28-29
• 2.4 四軸飛行器數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)辨識29-32
• 2.4.1 系統(tǒng)辨識基本原理29-30
• 2.4.2 批處理最小二乘法（LS）30
• 2.4.3 遞推最小二乘法（RLS）30-31
• 2.4.4 遺忘因子遞推最小二乘法（FFRLS）31-32
• 2.5 本章小結(jié)32-33
• 第三章 四軸飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計33-45
• 3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計33
• 3.2 主要功能分析及器件選型33-37
• 3.2.1 主控器34
• 3.2.2 無線通訊34-35
• 3.2.3 姿態(tài)數(shù)據(jù)采集35-37
• 3.3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計37-44
• 3.3.1 遙控器系統(tǒng)硬件設(shè)計37-41
• 3.3.2 機體系統(tǒng)硬件設(shè)計41-44
• 3.4 本章小結(jié)44-45
• 第四章 四軸飛行器系統(tǒng)軟件設(shè)計45-54
• 4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計45-47
• 4.1.1 MDK開發(fā)工具簡介45
• 4.1.2 uCOS-III操作系統(tǒng)簡介45
• 4.1.3 各子系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計45-47
• 4.1.4 系統(tǒng)整體軟件功能47
• 4.2 無線通信任務(wù)設(shè)計47-49
• 4.3 串口通信任務(wù)設(shè)計49-51
• 4.3.1 串口數(shù)據(jù)接收50-51
• 4.3.2 串口數(shù)據(jù)發(fā)送51
• 4.4 其它任務(wù)設(shè)計及系統(tǒng)中斷51-53
• 4.5 本章小結(jié)53-54
• 第五章 四軸飛行器姿態(tài)解算54-74
• 5.1 姿態(tài)信號檢測及分析54-58
• 5.1.1 陀螺儀信號檢測及分析54-56
• 5.1.2 加速度計信號檢測56-58
• 5.2 姿態(tài)信號濾波58-63
• 5.2.1 常用簡單數(shù)字濾波方法58-59
• 5.2.2 IIR低通濾波器59-61
• 5.2.3 IIR濾波器MATLAB輔助設(shè)計61-63
• 5.3 姿態(tài)解算63-73
• 5.3.1 互補濾波姿態(tài)解算64-66
• 5.3.2 卡爾曼濾波姿態(tài)解算66-69
• 5.3.3 四元素姿態(tài)解算69-71
• 5.3.4 MPU6050內(nèi)部DMP姿態(tài)解算71-73
• 5.4 本章小結(jié)73-74
• 第六章 四軸飛行器控制算法研究74-88
• 6.1 四軸飛行器模型參數(shù)系統(tǒng)辨識74-79
• 6.1.1 辨識目的及先驗知識75
• 6.1.2 實驗設(shè)計75-76
• 6.1.3 輸入/輸出數(shù)據(jù)采集與處理76-77
• 6.1.4 模型結(jié)構(gòu)選取與辨識77-78
• 6.1.5 模型參數(shù)辨識78-79
• 6.2 四軸飛行器PID控制算法研究79-86
• 6.2.1 PID概述79-80
• 6.2.2 四軸飛行器PID控制器設(shè)計80-81
• 6.2.3 四軸飛行器PID參數(shù)整定81-86
• 6.3 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析86-87
• 6.4 本章小結(jié)87-88
• 第七章 總結(jié)與展望88-89
• 致謝89-90
• 參考文獻90-93

【參考文獻】

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1 黃曉英;傅士冀;陳俊;曹作群;;去極值平均濾波技術(shù)在智能微歐電阻校準儀中的應(yīng)用[J];電測與儀表;2011年09期

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本文編號：675312