本文關(guān)鍵詞：面向自主巡航的多旋翼飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】：多旋翼飛行器由于其結(jié)構(gòu)簡易、靈活機動的特點受到商業(yè)公司和科研機構(gòu)的極大歡迎,在民用和軍用領(lǐng)域都有很大的前景。近些年隨著多旋翼飛行器路徑規(guī)劃和自主巡航想法的提出,飛控系統(tǒng)中導(dǎo)航算法和控制算法的作用顯得越來越重要。因此本文根據(jù)現(xiàn)有實驗條件,以四旋翼飛行器為研究對象,做了下列研究：本文首先根據(jù)研究內(nèi)容和實際需求設(shè)計了一套飛控系統(tǒng)。為了驗證本文導(dǎo)航算法和控制算法的合理性,設(shè)計了基于ARM嵌入式芯片及慣性測量單元IMU的硬件平臺,并針對要實現(xiàn)的復(fù)雜算法和飛行任務(wù)設(shè)計了可行有效的軟件架構(gòu),完成了飛控系統(tǒng)的基礎(chǔ)框架設(shè)計。其次對本文用到的低成本姿態(tài)傳感器進行了標(biāo)定,由于實驗條件的限制,本文在了解姿態(tài)傳感器的誤差模型后進行了最大程度的標(biāo)定。為了實現(xiàn)自主巡航,本文設(shè)計了基于擴展卡爾曼濾波算法的組合導(dǎo)航系統(tǒng),通過姿態(tài)傳感器與GPS數(shù)據(jù)建立狀態(tài)方程、觀測方程,最終估計出最佳的導(dǎo)航信息。最后分別在室內(nèi)和室外進行了組合導(dǎo)航算法的實驗,通過對比驗證了算法的有效性。然后進行了控制算法的設(shè)計,通過分析飛行器的飛行原理和特點,本文將控制算法分為：姿態(tài)角控制、高度控制、位置控制。本文以經(jīng)典的PID控制算法為基礎(chǔ),針對三個控制回路分別進行了一定程度的改進：對姿態(tài)角控制引入了姿態(tài)角速度環(huán)節(jié),采用了串級PID控制,提高了控制的穩(wěn)定性；用地理坐標(biāo)系下的垂直速度代替了高度控制的微分環(huán)節(jié),提高了控制的抗干擾能力；對位置控制省略微分環(huán)節(jié),將控制輸出直接轉(zhuǎn)移給姿態(tài)角控制回路,在達(dá)到相同控制效果下減少了一定運算量。最后利用本文設(shè)計的飛控系統(tǒng)搭建了一臺軸距為450mm小型四旋翼飛行器,并分別對上述三個控制回路進行了飛行試驗,分析飛行過程中傳到上位機的數(shù)據(jù)并觀察飛行器實際飛行狀態(tài),調(diào)節(jié)控制參數(shù),最終實現(xiàn)了飛行器的自主巡航,驗證了飛控系統(tǒng)的穩(wěn)定性,以及導(dǎo)航算法和控制算法的合理性。
【關(guān)鍵詞】：四旋翼飛行器 導(dǎo)航系統(tǒng) 自主巡航
【學(xué)位授予單位】：海南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 課題研究的背景及意義9
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-11
• 1.3 本課題的研究內(nèi)容11-12
• 1.4 論文章節(jié)結(jié)構(gòu)12-13
• 2 多旋翼飛行器飛控系統(tǒng)設(shè)計13-24
• 2.1 多旋翼飛行器的運動特征和原理13-14
• 2.2 飛控系統(tǒng)的需求分析14-15
• 2.3 元器件的選型和電路設(shè)計15-22
• 2.3.1 主控芯片15-16
• 2.3.2 電源芯片16-17
• 2.3.3 外部存儲芯片17-18
• 2.3.4 姿態(tài)傳感器模塊18-19
• 2.3.5 GPS接收機模塊19-20
• 2.3.6 無線傳輸模塊20
• 2.3.7 飛行控制板PCB設(shè)計20-21
• 2.3.8 飛行控制板硬件測試21-22
• 2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計22-23
• 2.5 本章小結(jié)23-24
• 3 飛行器組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計24-39
• 3.1 坐標(biāo)系定義及姿態(tài)角解算24-29
• 3.1.1 坐標(biāo)系定義24-25
• 3.1.2 姿態(tài)角表示方法25-26
• 3.1.3 初始四元數(shù)的確定26-27
• 3.1.4 姿態(tài)角解算27-29
• 3.2 慣性傳感器誤差分析與標(biāo)定29-32
• 3.2.1 加速度計誤差建模與簡易標(biāo)定29-30
• 3.2.2 陀螺儀誤差建模與簡易標(biāo)定30-32
• 3.2.3 磁力計誤差分析與簡易標(biāo)定32
• 3.3 組合導(dǎo)航算法設(shè)計32-38
• 3.3.1 系統(tǒng)狀態(tài)方程及觀測方程33-35
• 3.3.2 噪聲協(xié)方差矩陣及系統(tǒng)協(xié)方差矩陣35
• 3.3.3 組合導(dǎo)航算法流程35-36
• 3.3.4 組合導(dǎo)航算法試驗36-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 4 飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計39-46
• 4.1 飛行控制系統(tǒng)需求分析39
• 4.2 經(jīng)典控制PID算法39-41
• 4.3 姿態(tài)角控制系統(tǒng)41-42
• 4.4 高度控制系統(tǒng)42-43
• 4.5 位置控制系統(tǒng)43-45
• 4.6 本章小結(jié)45-46
• 5 四旋翼飛行器系統(tǒng)實驗測試46-51
• 5.1 姿態(tài)角實驗測試47-49
• 5.1.1 俯仰角和橫滾角實驗測試47-48
• 5.1.2 航向角實驗測試48-49
• 5.2 高度實驗測試49
• 5.3 自主巡航實驗測試49-50
• 5.4 本章小結(jié)50-51
• 6 總結(jié)與展望51-52
• 6.1 總結(jié)51
• 6.2 展望51-52
• 參考文獻52-54
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的科研成果54-55
• 致謝55

【參考文獻】

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本文編號：997205