本文關(guān)鍵詞：四旋翼飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的研究

  更多相關(guān)文章： 姿態(tài)控制 IMU STM32 卡爾曼濾波 PID控制算法

【摘要】：近年來(lái),隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,飛行器技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步,且在民用和軍事領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。四旋翼飛行器是一種配有4個(gè)螺旋槳且螺旋槳呈十字形交叉的飛行器。與傳統(tǒng)的直升機(jī)不同,四旋翼飛行器只能通過(guò)改變螺旋槳的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)作。由于它是一種六自由度的垂直起降機(jī),非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行,因此研究四旋翼飛行器具有重要的實(shí)際意義。作為典型的非線性系統(tǒng),飛行器的姿態(tài)控制一直是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合微電子技術(shù)和經(jīng)典濾波理論,研究并設(shè)計(jì)了一種四旋翼飛行器的姿態(tài)控制系統(tǒng),主要由系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和姿態(tài)算法組成。在硬件設(shè)計(jì)方面,系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì),分別為傳感器模塊,電源管理模塊,控制器模塊,串口通信模塊,遙控控制模塊。傳感器模塊由三只MEMS傳感器組成,分別為加速度計(jì)和陀螺儀、數(shù)字羅盤(pán)、氣壓計(jì),它們負(fù)責(zé)采集飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù),并通過(guò)12C總線將數(shù)據(jù)傳送到控制器模塊；控制器模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、算法的運(yùn)行以及協(xié)調(diào)控制各個(gè)模塊；串口通信模塊主要用來(lái)與上位機(jī)通信,在靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)飛行器進(jìn)行調(diào)試；遙控控制模塊通過(guò)RC接口,發(fā)送遙控信號(hào)給控制器；電源管理模塊包含一塊標(biāo)稱11.1V的航模電池,以及電源轉(zhuǎn)換電路,整個(gè)系統(tǒng)在飛行過(guò)程中均由電源管理模塊供電。在軟件設(shè)計(jì)方面,同樣基于模塊化的思想,將系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分解為四個(gè)主要的模塊,分別為：系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、姿態(tài)控制模塊。系統(tǒng)的初始化模塊是對(duì)控制器的各個(gè)外設(shè)、通信協(xié)議及控制算法的參數(shù)等進(jìn)行初始化；數(shù)據(jù)通信模塊主要實(shí)現(xiàn)各部分之間的數(shù)據(jù)傳輸,包括遙控器的無(wú)線通信,傳感器的12C通信以及上位機(jī)的串口通信；數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要完成對(duì)加速度計(jì)、陀螺儀、數(shù)字羅盤(pán)以及氣壓計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理；姿態(tài)控制模塊根據(jù)采集到的姿態(tài)數(shù)據(jù),運(yùn)行姿態(tài)控制算法,計(jì)算各個(gè)通道控制量的值,并將這信號(hào)傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。在姿態(tài)算法方面,分別介紹了卡爾曼濾波(Kalman Filter)和擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter);建立了系統(tǒng)的傳感器測(cè)量模型和動(dòng)力學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上對(duì)這兩種算法進(jìn)行仿真分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的收斂速度更快,誤差更小,魯棒性更好,因此最終采用擴(kuò)展卡爾曼濾波實(shí)現(xiàn)姿態(tài)數(shù)據(jù)的融合。同時(shí),基于飛行器姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件平臺(tái),采用經(jīng)典的PID控制算法對(duì)飛行器的實(shí)際姿態(tài)角和期望姿態(tài)角進(jìn)行控制,形成閉環(huán)負(fù)反饋,整定PID的各個(gè)參數(shù),使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。
【關(guān)鍵詞】：姿態(tài)控制 IMU STM32 卡爾曼濾波 PID控制算法
【學(xué)位授予單位】：安徽工程大學(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5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 課題的研究背景及意義12
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-16
• 1.2.1 國(guó)外四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀15
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3 本文的研究目標(biāo)及內(nèi)容16-17
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排17-18
• 第2章 四旋翼飛行器的總體結(jié)構(gòu)和基本原理18-22
• 2.1 四旋翼飛行器的總體結(jié)構(gòu)18-19
• 2.1.1 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式18
• 2.1.2 四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)分析18-19
• 2.2 四旋翼飛行器的基本原理19-21
• 2.3 本章小結(jié)21-22
• 第3章 飛行姿態(tài)及航姿參考系統(tǒng)22-32
• 3.1 飛行器的坐標(biāo)系及姿態(tài)22-23
• 3.2 飛行器姿態(tài)的描述與運(yùn)算23-30
• 3.2.1 歐拉角法23-25
• 3.2.2 方向余弦法25-28
• 3.2.3 四元數(shù)法28-30
• 3.3 本章小結(jié)30-32
• 第4章 姿態(tài)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)32-44
• 4.1 系統(tǒng)硬件的總體設(shè)計(jì)32-33
• 4.2 系統(tǒng)的方案選型33-39
• 4.2.1 控制器選型33-34
• 4.2.2 傳感器選型34-37
• 4.2.3 電池及電機(jī)選型37
• 4.2.4 螺旋槳選型37-38
• 4.2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選型38-39
• 4.3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)39-43
• 4.3.1 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)39-41
• 4.3.2 控制器模塊電路設(shè)計(jì)41
• 4.3.3 電源管理模塊電路設(shè)計(jì)41-42
• 4.3.4 串口通信模塊電路設(shè)計(jì)42
• 4.3.5 系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖42-43
• 4.4 本章小結(jié)43-44
• 第5章 姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)44-50
• 5.1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)44-45
• 5.2 遙控PPM信號(hào)解碼45-46
• 5.3 數(shù)據(jù)采集及處理程序設(shè)計(jì)46-49
• 5.4 本章小結(jié)49-50
• 第6章 四旋翼飛行器的姿態(tài)算法50-63
• 6.1 濾波算法及姿態(tài)融合50-54
• 6.1.1 卡爾曼濾波算法50-52
• 6.1.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波算法52-54
• 6.2 系統(tǒng)模型的建立及仿真54-60
• 6.2.1 飛行器的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程54-55
• 6.2.2 系統(tǒng)傳感器測(cè)量模型55-56
• 6.2.3 姿態(tài)算法的系統(tǒng)方程56-57
• 6.2.4 數(shù)據(jù)仿真分析57-60
• 6.3 系統(tǒng)的PID控制算法及參數(shù)整定60-62
• 6.3.1 系統(tǒng)PID控制算法的基本原理60-62
• 6.3.2 系統(tǒng)PID控制算法的參數(shù)整定62
• 6.4 本章小結(jié)62-63
• 結(jié)論與展望63-64
• 參考文獻(xiàn)64-68
• 附錄 系統(tǒng)硬件原理圖68-69
• 碩士期間發(fā)表的論文69
• 碩士期間取得的專利69-70
• 致謝70

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 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)：857802