發(fā)布時間：2017-05-13 15:23

  本文關鍵詞：撲翼飛行機器人控制系統(tǒng)的設計研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：撲翼飛行機器人是一種主要模擬鳥或昆蟲飛行原理的機器人。撲翼飛行是飛行動物在經(jīng)歷億萬年生物進化后形成的一種飛行方式,自然界近百萬種鳥類與昆蟲不約而同的選擇了撲翼飛行,我們可以說撲翼飛行是最優(yōu)的飛行方式。研究表明,撲翼飛行器在能量轉換效率、升力產(chǎn)生效果、微型化程度、靈活程度上相比于固定翼飛行器和旋翼飛行器都有明顯的優(yōu)勢。由于撲翼飛行器在軍事和民用領域具有廣闊的應用前景,撲翼飛行器的研究在各國都成為了熱點。目前,國內外對撲翼飛行器的研究主要包括以下三個方面,微機電系統(tǒng)的研究、相關空氣動力學及其模型的研究、姿態(tài)控制方法的研究。只有在這些技術上取得突破性進展,才能掌握撲翼飛行器的關鍵技術。雖然現(xiàn)在對撲翼飛行器的研究取得了一定的階段性成果,但距離真正的實用階段還有一段距離。本文定義了適當?shù)膿湟盹w行器坐標系,用來描述撲翼飛行器實時的飛行坐標,也便于分析和計算機體受到的力和力矩,并確定了各坐標系間的轉換關系；通過分析研究撲翼飛行器的機身動力矩、機翼動力矩,建立繞質心運動的動力學和運動學方程,總結出了可用于撲翼飛行器飛行姿態(tài)控制的動力學模型。設計出了一種由MEMS元件構成的撲翼飛行姿態(tài)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用新型32位ARM STM32F103作為微控制器,MPU6050陀螺儀和加速度計、HMC5883L磁阻傳感器和MS5611高度計構成姿態(tài)測量模塊,可以測量飛行器的飛行姿態(tài)。設計了通信模塊、電源模塊、執(zhí)行控制等模塊,還利用穩(wěn)壓去耦、濾波技術提高了系統(tǒng)抗干擾能力,對撲翼飛行器的硬件系統(tǒng)進行了全面的研制。為了提高飛行姿態(tài)的測量精度,設計出了一種將陀螺儀、加速度計、磁力計和高度計的數(shù)據(jù)進行融合,基于卡爾曼濾波的融合計算姿態(tài)角的方法。通過將傳感器得到的數(shù)據(jù)進行卡爾曼濾波,得到最優(yōu)四元數(shù),進而轉換為姿態(tài)角。把姿態(tài)解算編成軟件程序,通過實驗驗證,卡爾曼濾波提高了姿態(tài)測量的精度。
【關鍵詞】：撲翼飛行器 動力學模型 控制系統(tǒng) 卡爾曼濾波
【學位授予單位】：北方工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第一章 緒論9-18
• 1.1 撲翼飛行機器人的研究背景9-11
• 1.1.1 微型飛行器9-10
• 1.1.2 撲翼飛行機器人10-11
• 1.2 撲翼飛行機器人的國內外發(fā)展現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 撲翼飛行機器人的設計制作11-13
• 1.2.2 撲翼飛行機器人的控制技術研究13-14
• 1.2.3 撲翼飛行機器人的控制系統(tǒng)的實現(xiàn)14-15
• 1.3 撲翼飛行機器人的關鍵技術15-16
• 1.3.1 撲翼飛行機器人機體機構及機載元器件微型化技術15
• 1.3.2 撲翼飛行機器人控制策略15-16
• 1.3.3 撲翼飛行機器人數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)16
• 1.4 本文研究的主要內容16-17
• 1.5 本章小結17-18
• 第二章 撲翼飛行機器人坐標系的定義與轉換18-28
• 2.1 坐標系的定義18-20
• 2.1.1 地面坐標系18
• 2.1.2 機體坐標系18-19
• 2.1.3 航跡坐標系19
• 2.1.4 速度坐標系19
• 2.1.5 右翼坐標系和左翼坐標系19-20
• 2.1.6 右尾翼坐標系和左尾翼坐標系20
• 2.2 坐標系之間的轉換20-27
• 2.2.1 地面坐標系到機體坐標系的轉換20-23
• 2.2.2 地面坐標系到航跡坐標系的轉換23-24
• 2.2.3 速度坐標系到機體坐標系的轉換24-25
• 2.2.4 右尾翼坐標系到機體坐標系的轉換25
• 2.2.5 左尾翼坐標系到機體坐標系的轉換25
• 2.2.6 右翼坐標系到機體坐標系的轉換25-26
• 2.2.7 左翼坐標系到機體坐標系的轉換26-27
• 2.3 本章小結27-28
• 第三章 撲翼飛行機器人的動力學建模28-40
• 3.1 撲翼飛行器動力矩的計算28-33
• 3.1.1 機體的空氣動力矩28-29
• 3.1.2 機翼的氣動力和力矩29-32
• 3.1.3 尾翼動力矩32-33
• 3.2 機體繞質心轉動的動力學方程33-34
• 3.3 機體繞質心轉動的運動學方程34-35
• 3.4 整機動力學模型35
• 3.5 動力學仿真35-39
• 3.5.1 設計參數(shù)35-36
• 3.5.2 運動控制仿真36-39
• 3.6 本章小結39-40
• 第四章 控制系統(tǒng)設計40-49
• 4.1 總體方案40
• 4.2 微處理器的的選型40-42
• 4.3 姿態(tài)測量模塊42-44
• 4.4 電源電路設計44-45
• 4.5 其它電路設計45-47
• 4.6 PCB設計47-48
• 4.7 本章小結48-49
• 第五章 姿態(tài)角解算及實驗49-62
• 5.1 姿態(tài)解算方法49-50
• 5.2 卡爾曼濾波50
• 5.3 卡爾曼濾波流程50-53
• 5.3.1 歐拉角與四元數(shù)之間的轉換50-51
• 5.3.2 預測方程和狀態(tài)方程的求解51-52
• 5.3.3 卡爾曼濾波流程52-53
• 5.4 軟件設計53-57
• 5.4.1 I~2C驅動53-54
• 5.4.2 芯片驅動54
• 5.4.3 程序設計54-57
• 5.5 實驗驗證57-61
• 5.5.1 參數(shù)初始化57
• 5.5.2 實驗及結論57-61
• 5.6 本章小結61-62
• 結論62-63
• 參考文獻63-67
• 在校期間的研究成果67-68
• 致謝68

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 顧明;張瑞彪;黃貴林;羅有亮;;微型撲翼飛行器控制系統(tǒng)設計[J];電子技術;2013年08期

2 張洪朋;顧長智;張興明;陳海泉;劉東;張銀東;沈巖;;基于MEMS的液壓系統(tǒng)V錐傳感器的仿真研究[J];電子測量與儀器學報;2012年05期

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本文編號：362927