本文關(guān)鍵詞：微型四軸飛行器設(shè)計及基于Kinect手勢控制的實現(xiàn)

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【摘要】：目前,無人飛行器廣泛應用于軍事、民用和科學研究等多個領(lǐng)域,和其他類飛行器相比,多旋翼飛行器具有操控簡單、控制參數(shù)易調(diào)節(jié)、機械結(jié)構(gòu)可靠等優(yōu)勢。而微型四軸飛行器以其獨特的結(jié)構(gòu)對稱、控制靈活等特點受到人們的青睞。同時,隨著人機交互技術(shù)的發(fā)展,手勢控制成為了新型的控制方式。將手勢控制與微型四軸飛行器系統(tǒng)相結(jié)合,能夠?qū)崿F(xiàn)對飛行器更加靈活、直觀的控制。本文完成了基于ARM微控制器為核心的微型四軸飛行器控制系統(tǒng)的設(shè)計。在此基礎(chǔ)上,完成了基于Kinect體感傳感器手勢識別的飛行器控制系統(tǒng),實現(xiàn)了人體手勢控制微型四軸飛行器。論文主要工作如下:(1)分析了四軸飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu),系統(tǒng)的動力學模型及飛行器在三維空間中六個自由度的運動原理;分析了常用的姿態(tài)估計和PID算法。(2)設(shè)計了微型四軸飛行器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案,以PCB板直接作為飛行器的機架,對硬件電路進行了設(shè)計。重點分析了微控制器電路、電源模塊電路、慣性導航模塊電路、電機驅(qū)動電路和無線通信模塊電路。(3)根據(jù)設(shè)計的硬件電路完成了飛行器底層軟件設(shè)計。實現(xiàn)了基于四元數(shù)互補濾波算法的飛行器姿態(tài)估計,解決了歐拉角法出現(xiàn)的奇點問題。同時使用了角度、角速度雙環(huán)PID控制算法,解決了角度單環(huán)PID控制出現(xiàn)的飛行器漂移問題。最后,完成了各軟件模塊的聯(lián)合調(diào)試。(4)實現(xiàn)了基于Kinect體感傳感器手勢識別系統(tǒng)的設(shè)計。完成了手勢識別上位機軟件的設(shè)計,同時與四軸飛行器系統(tǒng)結(jié)合,實現(xiàn)了對微型四軸飛行器手勢的控制。在實地飛行測試過程中,手勢識別上位機軟件能夠快速準確的對手勢進行識別。四軸飛行器系統(tǒng)在接收到控制命令后,能夠快速、準確的執(zhí)行飛行指令。可見,本文設(shè)計的基于Kinect的手勢識別的四軸飛行器控制系統(tǒng),很好的實現(xiàn)了人與飛行器之間的良好交互,具有良好的應用前景。
【關(guān)鍵詞】：微型四軸飛行器 PID控制 Kinect 手勢控制
【學位授予單位】：鄭州大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279.2;TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 緒論10-15
• 1.1 課題研究的背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容13-15
• 2 四軸飛行器工作原理及力學模型15-26
• 2.1 四軸飛行器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)15-17
• 2.1.1 基本結(jié)構(gòu)15-16
• 2.1.2 飛行模式16-17
• 2.2 四軸飛行器動力學數(shù)學模型17-21
• 2.2.1 坐標系建立17-19
• 2.2.2 動力學模型19-21
• 2.3 四軸飛行器運動原理21-25
• 2.4 本章小結(jié)25-26
• 3 微型四軸飛行器設(shè)計方案26-37
• 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案26-27
• 3.2 硬件電路設(shè)計27-34
• 3.2.1 微控制器電路設(shè)計27-29
• 3.2.2 電源電路設(shè)計29-30
• 3.2.3 慣性測量模塊電路設(shè)計30-32
• 3.2.4 電機驅(qū)動電路設(shè)計32-33
• 3.2.5 無線通信模塊電路設(shè)計33-34
• 3.3 Kinect傳感器接口電路設(shè)計34-36
• 3.4 本章小結(jié)36-37
• 4 四軸飛行器姿態(tài)估計與控制算法研究37-47
• 4.1 四軸飛行器的姿態(tài)測量37-38
• 4.2 四軸飛行器姿態(tài)估計算法38-43
• 4.2.1 歐拉角姿態(tài)估計算法39-41
• 4.2.2 四元數(shù)姿態(tài)估計算法41-42
• 4.2.3 基于互補濾波器的四元數(shù)算法設(shè)計42-43
• 4.3 四軸飛行器PID算法43-46
• 4.3.1 PID控制器44-45
• 4.3.2 串級PID控制算法設(shè)計45-46
• 4.4 本章小結(jié)46-47
• 5 微型四軸飛行器軟件設(shè)計47-56
• 5.1 底層軟件設(shè)計流程47-48
• 5.2 主要模塊設(shè)計48-52
• 5.2.1 MPU6050傳感器數(shù)據(jù)采集48-50
• 5.2.2 四元數(shù)法姿態(tài)估計子程序50
• 5.2.3 串級PID控制子程序50-52
• 5.3 基于Kinect手勢識別控制的飛行器軟件實現(xiàn)52-55
• 5.3.1 Kinect動作識別原理52-53
• 5.3.2 基于Kinect手勢識別控制的實現(xiàn)53-55
• 5.4 本章小結(jié)55-56
• 6 微型四軸飛行器系統(tǒng)調(diào)試與分析56-63
• 6.1 四軸飛行器系統(tǒng)調(diào)試56-60
• 6.1.1 硬件電路調(diào)試56-58
• 6.1.2 四軸飛行器底層軟件系統(tǒng)調(diào)試58-60
• 6.2 基于Kinect手勢控制四軸飛行器系統(tǒng)調(diào)試60-62
• 6.3 本章小結(jié)62-63
• 7 總結(jié)與展望63-65
• 7.1 總結(jié)63
• 7.2 展望63-65
• 參考文獻65-68
• 個人簡歷與研究成果68-69
• 個人簡歷68
• 研究成果68-69
• 致謝69

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本文編號：734996