本文關(guān)鍵詞：小型四旋翼飛行器導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

  更多相關(guān)文章： 四旋翼飛行器 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 姿態(tài)解算 多傳感器數(shù)據(jù)融合 PID控制

【摘要】：小型四旋翼飛行器是一種多旋翼式無人飛行器,相比于其他類型飛行器其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起降所需的空間較小,在復(fù)雜環(huán)境下具有較高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),非常適合在室內(nèi)和城區(qū)等近地面環(huán)境及較危險(xiǎn)環(huán)境下代替人類執(zhí)行偵察監(jiān)視任務(wù),被廣泛的應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域中,成為近年來研究熱點(diǎn),受到了人們的極大的關(guān)注。本設(shè)計(jì)以小型四旋翼飛行器為研究對(duì)象,首先對(duì)其飛行原理進(jìn)行分析,結(jié)合慣性坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系得出了其轉(zhuǎn)換關(guān)系,根據(jù)牛頓定律和力矩平衡原理對(duì)飛行器建立了精確數(shù)學(xué)模型。然后根據(jù)四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分別對(duì)主控制中心的飛控板,電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源模塊進(jìn)行硬件選型和設(shè)計(jì),其中對(duì)主控制系統(tǒng)分為MCU芯片,姿態(tài)傳感器模塊和無線通信模塊分別進(jìn)行了詳細(xì)的板級(jí)設(shè)計(jì)介紹,搭建起了實(shí)用可靠的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。接下來對(duì)飛行器的核心導(dǎo)航控制器進(jìn)行重點(diǎn)討論,針對(duì)飛行器在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定飛行的問題,基于多傳感器融合濾波技術(shù),本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)高效的導(dǎo)航控制器。在傳統(tǒng)四元數(shù)法基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種自補(bǔ)償法進(jìn)行姿態(tài)解算,由于傳感器采集的姿態(tài)角等數(shù)據(jù)包含噪聲和誤差積累,因此設(shè)計(jì)了有效的濾波器來進(jìn)行多傳感器的數(shù)據(jù)融合,通過對(duì)比,最終采用的Kalman濾波算法相比于互補(bǔ)濾波器擁有更強(qiáng)大的抗干擾能力和更優(yōu)的穩(wěn)定性,在飛行器控制算法的討論上,對(duì)變結(jié)構(gòu)滑膜控制進(jìn)行了介紹然后重點(diǎn)研究了更適合本文設(shè)計(jì)的小型飛行控制系統(tǒng)的PID控制器,設(shè)計(jì)了結(jié)合姿態(tài)角和高度信息的雙閉環(huán)控制方法,并得到有效驗(yàn)證。最后介紹了本設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)以及實(shí)地飛行試驗(yàn),對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的嵌入式軟件流程進(jìn)行分析與設(shè)計(jì),結(jié)合實(shí)際飛行器的情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試并進(jìn)行了飛行試驗(yàn),列出了飛行調(diào)試中各個(gè)步驟和注意事項(xiàng),通過反饋回上位機(jī)姿態(tài)角等參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)分析,最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證,基本達(dá)到了預(yù)定的飛行效果。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼飛行器 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 姿態(tài)解算 多傳感器數(shù)據(jù)融合 PID控制
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V249
【目錄】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 相關(guān)問題研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 四旋翼飛行器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.2 導(dǎo)航控制技術(shù)發(fā)展概況16-17
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排17-19
• 第二章 飛行控制原理及建模19-31
• 2.1 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介19
• 2.2 四旋翼飛行器飛行原理介紹19-22
• 2.3 坐標(biāo)系建立及轉(zhuǎn)換22-26
• 2.3.1 慣性直角坐標(biāo)系22-23
• 2.3.2 機(jī)體坐標(biāo)系23-24
• 2.3.3 坐標(biāo)系間轉(zhuǎn)換及姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣24-26
• 2.4 四旋翼飛行器動(dòng)力學(xué)建模26-30
• 2.4.1 力平衡方程26-28
• 2.4.2 力矩平衡方程28-29
• 2.4.3 飛行器總動(dòng)力學(xué)模型29-30
• 2.4.4 總體模型仿真參數(shù)30
• 2.5 本章小結(jié)30-31
• 第三章 四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)31-45
• 3.1 四旋翼飛行器整體架構(gòu)設(shè)計(jì)31-32
• 3.2 主控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32-40
• 3.2.1 飛控板總體設(shè)計(jì)32-34
• 3.2.2 MCU主控制芯片設(shè)計(jì)34-36
• 3.2.3 姿態(tài)傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)36-39
• 3.2.4 無線通訊模塊硬件設(shè)計(jì)39-40
• 3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)40-42
• 3.4 電源模塊硬件設(shè)計(jì)42-43
• 3.5 本章小結(jié)43-45
• 第四章 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的導(dǎo)航控制器設(shè)計(jì)45-63
• 4.1 姿態(tài)解算算法研究45-50
• 4.1.1 四元數(shù)法姿態(tài)解算45-48
• 4.1.2 自補(bǔ)償姿態(tài)解算算法研究48-49
• 4.1.3 姿態(tài)解算方法實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析49-50
• 4.2 濾波算法及數(shù)據(jù)融合50-55
• 4.2.1 補(bǔ)濾波器及數(shù)據(jù)融合51-52
• 4.2.2 Kalman濾波器設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)融合52-54
• 4.2.3 濾波方法總結(jié)及實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析54-55
• 4.3 控制方法研究55-62
• 4.3.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制方法研究55-57
• 4.3.2 PID控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定57-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第五章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及飛行試驗(yàn)63-69
• 5.1 軟件系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)63-64
• 5.2 軟件系統(tǒng)具體流程設(shè)計(jì)64-66
• 5.3 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試與飛行試驗(yàn)66-68
• 5.4 本章小結(jié)68-69
• 第六章 總結(jié)與展望69-71
• 6.1 總結(jié)69-70
• 6.2 展望70-71
• 參考文獻(xiàn)71-75
• 致謝75-76
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表76

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 宋亞平;淺談旋翼的防腐維護(hù)[J];航空維修與工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文編號(hào)：848147