本文關(guān)鍵詞：球形無(wú)人飛行器控制器研究與設(shè)計(jì)

  更多相關(guān)文章： 球形無(wú)人機(jī) 飛行控制系統(tǒng) 自抗擾控制器 MEMS傳感器 卡爾曼濾波

【摘要】：無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域均發(fā)揮著非常重要的作用。相比于其他種類的無(wú)人機(jī),球形無(wú)人機(jī)以其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)正成為研究熱點(diǎn),飛行控制系統(tǒng)則一直是無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)的核心部分,基于高性能ARM處理器與MEMS傳感器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合飛行控制系統(tǒng)體積小、集成度高、控制精準(zhǔn)、功耗低的要求。本文針對(duì)一款球形無(wú)人機(jī)提出了一套基于嵌入式處理器與MEMS傳感器的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先,本文分析了自抗擾控制器的各個(gè)組成部分及其實(shí)現(xiàn)原理,設(shè)計(jì)了球形無(wú)人機(jī)上升速度通道與俯仰角通道的自抗擾控制器,并與PID控制器進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明自抗擾控制器擁有更好的性能。其次,本文根據(jù)球形無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)了STM32F407核心控制器、MEMS傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波傳感器、無(wú)線通訊等模塊的硬件電路,完成了電路板設(shè)計(jì)與制作。然后在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,針對(duì)各個(gè)功能模塊,設(shè)計(jì)了系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通訊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能模塊的軟件,并給出了相應(yīng)的流程圖。最后,本文進(jìn)行了傳感器數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn),完成了陀螺儀與加速度計(jì)兩種傳感器的數(shù)據(jù)解析,之后應(yīng)用卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪處理,得到更為平滑準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),并改進(jìn)與應(yīng)用一種常用的數(shù)據(jù)融合方法實(shí)現(xiàn)更加精確的姿態(tài)角解算。此外,本文還進(jìn)行了室內(nèi)和戶外兩種環(huán)境下的飛行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文介紹的飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,具有很好的實(shí)用性與通用性,基本符合預(yù)期目標(biāo)。
【關(guān)鍵詞】：球形無(wú)人機(jī) 飛行控制系統(tǒng) 自抗擾控制器 MEMS傳感器 卡爾曼濾波
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V249.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 引言10-20
• 1.1 課題研究背景和意義10-11
• 1.2 無(wú)人機(jī)定義11-12
• 1.3 無(wú)人機(jī)分類12-13
• 1.4 無(wú)人機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.4.1 無(wú)人機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀13-14
• 1.4.2 無(wú)人機(jī)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀14-15
• 1.5 飛行控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀15-18
• 1.5.1 飛行控制系統(tǒng)國(guó)外研究現(xiàn)狀16-17
• 1.5.2 飛行控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀17-18
• 1.6 論文主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排18-20
• 1.6.1 論文主要內(nèi)容18-19
• 1.6.2 論文結(jié)構(gòu)安排19-20
• 第2章 球形無(wú)人機(jī)工作原理和飛行控制系統(tǒng)20-26
• 2.1 基本結(jié)構(gòu)20-21
• 2.2 基本概念21-22
• 2.3 氣動(dòng)特性建模22-23
• 2.4 飛行控制系統(tǒng)23-24
• 2.4.1 飛行控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成23-24
• 2.4.2 飛行控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)24
• 2.5 本章小結(jié)24-26
• 第3章 基于自抗擾控制算法的球形無(wú)人機(jī)控制器26-34
• 3.1 自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)26-29
• 3.1.1 跟蹤微分器27-28
• 3.1.2 擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器28-29
• 3.1.3 非線性反饋控制率29
• 3.2 自抗擾控制器的設(shè)計(jì)29-31
• 3.3 自抗擾控制器仿真結(jié)果31-33
• 3.4 本章小結(jié)33-34
• 第4章 球形無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)34-58
• 4.1 飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)34-49
• 4.1.1 硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)34-35
• 4.1.2 飛行控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)搭建35-36
• 4.1.3 基于STM32F407VGT6的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)36-38
• 4.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)38-40
• 4.1.5 傳感器電路設(shè)計(jì)40-46
• 4.1.6 超聲波傳感器與電路設(shè)計(jì)46
• 4.1.7 Futuba無(wú)線通訊模塊46-48
• 4.1.8 電路組裝圖48-49
• 4.2 飛行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)49-56
• 4.2.1 系統(tǒng)軟件主要功能及流程圖50-51
• 4.2.2 初始化與主程序設(shè)計(jì)51-52
• 4.2.3 陀螺儀數(shù)據(jù)采集52-53
• 4.2.4 加速度計(jì)數(shù)據(jù)采集53-54
• 4.2.5 超聲波傳感器數(shù)據(jù)采集54-55
• 4.2.6 與Futaba R6014HS接收機(jī)通信55
• 4.2.7 PWM信號(hào)產(chǎn)生55-56
• 4.3 本章總結(jié)56-58
• 第5章 姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理與飛行實(shí)驗(yàn)58-74
• 5.1 姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集58-60
• 5.2 陀螺儀數(shù)據(jù)解析60-62
• 5.3 加速度計(jì)數(shù)據(jù)解析62-63
• 5.4 傳感器數(shù)據(jù)濾波處理63-68
• 5.4.1 陀螺儀數(shù)據(jù)卡爾曼濾波處理64-66
• 5.4.3 加速度計(jì)數(shù)據(jù)卡爾曼濾波處理66-68
• 5.5 傳感器數(shù)據(jù)融合處理68-71
• 5.6 球形無(wú)人機(jī)飛行測(cè)試71-72
• 5.7 本章小結(jié)72-74
• 總結(jié)與展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-80
• 附錄80-82
• 附錄1 傳感器數(shù)據(jù)采集程序80-81
• 附錄2 加速度計(jì)數(shù)據(jù)解析程序81-82
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文與研究成果清單82-84
• 致謝84

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