【摘要】：農(nóng)業(yè)航空技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的熱點。多旋翼無人機對不規(guī)則地形具有良好適應(yīng)性,被廣泛用于農(nóng)田信息、國土資源監(jiān)測。利用多旋翼無人機可以及時準(zhǔn)確地收集作物生長信息,使生產(chǎn)管理者能作出快速、精準(zhǔn)的決策,是實施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分,對促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。本論文以多旋翼無人機作為研究對象,研究適用于農(nóng)田信息采集的多旋翼無人機控制系統(tǒng)。該飛行控制系統(tǒng)由多旋翼無人機平臺、嵌入式主控制器和位姿傳感器組成。本研究設(shè)計了基于模糊-比例積分偏差修正的姿態(tài)測量方法和基于擴展卡爾曼濾波的姿態(tài)估計方法對無人機姿態(tài)進(jìn)行測量,為無人機姿態(tài)穩(wěn)定控制提供準(zhǔn)確的姿態(tài)信息。采用雙閉環(huán)專家PID控制策略使無人機姿態(tài)穩(wěn)定可控且具有較好的抗干擾能力。采用基于多傳感器測算的高度控制方法控制無人機飛行高度,使無人機可以穩(wěn)定保持在某一高度位置。最后把控制系統(tǒng)參數(shù)保存在存儲器,并通過無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)把無人機狀態(tài)信息發(fā)送到上位機。本文研究內(nèi)容如下:(1)介紹了四旋翼無人機開源項目。通過對開源項目中的飛行控制系統(tǒng)構(gòu)建方法、姿態(tài)估算、控制策略進(jìn)行調(diào)查和資料搜集,為本文后續(xù)研究的飛行控制系統(tǒng)提供參考。選用APM飛控作為開源項目試驗對象,對其進(jìn)行配置和測試,并給出飛行試驗結(jié)果。(2)介紹了適用于農(nóng)田信息采集的多旋翼無人機平臺的構(gòu)建方法,以電能為動力,對機架、電池、電機、電調(diào)和螺旋槳進(jìn)行選型。介紹了控制系統(tǒng)中各電子設(shè)備的設(shè)置及通信接口。系統(tǒng)主控器采用STM32F407,與外部傳感器及電子設(shè)備使用I2C接口、USART接口和SPI接口進(jìn)行通信,采用定時器接收遙控輸入信號和輸出電機控制信號。介紹了MPU6050傳感器、AK8975磁強計、MS5611氣壓計和超聲波傳感器的特點、工作原理及其在系統(tǒng)中的具體設(shè)置與使用。(3)根據(jù)本文研究的多旋翼無人機旋翼布局為“X型”,對其進(jìn)行受力分析、運動分析,并說明其控制原理。定義導(dǎo)航坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系,并描述兩個坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。采用四元數(shù)方法表示多旋翼無人機姿態(tài)。姿態(tài)測量是多旋翼無人機姿態(tài)閉環(huán)控制的反饋部分。根據(jù)系統(tǒng)采用的傳感器測量特性,對其進(jìn)行校準(zhǔn)以提高測量精度。然后提出了基于四元數(shù)的模糊-PI偏差修正的多傳感器信息融合姿態(tài)解算方法,該算法能夠?qū)崟r準(zhǔn)確修正多傳感器的測量偏差。通過靜態(tài)與動態(tài)試驗可知,所設(shè)計的姿態(tài)測量系統(tǒng)具有良好的實時性,能滿足多旋翼無人機姿態(tài)準(zhǔn)確測量要求,可以快速準(zhǔn)確測量機體運動情況。在長時間靜態(tài)測量中,測量角度并未產(chǎn)生靜態(tài)漂移和發(fā)散。(4)卡爾曼濾波作為基于最小方差估計的經(jīng)典遞推算法,已被應(yīng)用在多傳感器姿態(tài)測量中。采用主控器STM32F407、6軸運動處理傳感器MPU6050和三軸磁強計AK8975構(gòu)建了多傳感器姿態(tài)測量硬件系統(tǒng)。并提出了基于該硬件系統(tǒng)的擴展卡爾曼濾波姿態(tài)估計方法。該濾波通過利用加速度計和磁強計測量數(shù)據(jù)來補償陀螺儀漂移引起的姿態(tài)測量誤差。通過試驗比較,得到基于該卡爾曼濾波姿態(tài)估計系統(tǒng)的協(xié)方差較優(yōu)取值組合。該系統(tǒng)在靜態(tài)測量時未產(chǎn)生靜態(tài)漂移和發(fā)散,在動態(tài)測量中其誤差小于模糊-PI雙模調(diào)節(jié)偏差修正方法。但卡爾曼濾波運算量較大,更新速率較慢。(5)無人機控制系統(tǒng)需要執(zhí)行姿態(tài)估算,處理輸入輸出信號,運行控制算法等多個任務(wù),因此使用任務(wù)調(diào)度方法執(zhí)行系統(tǒng)多個任務(wù)。對遙控輸入信號進(jìn)行有效性檢查,輸入控制量轉(zhuǎn)換,一階低通濾波,上鎖與解鎖切換處理。多旋翼無人機電機高速旋轉(zhuǎn),在低空環(huán)境飛行,其穩(wěn)定性易受自然風(fēng)、電磁波等因素干擾。在姿態(tài)控制中采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu),綜合運用PID和專家控制策略,通過湊試法找到合適的雙閉環(huán)PID控制參數(shù),實時調(diào)整控制策略。對所設(shè)計的無人機控制系統(tǒng)進(jìn)行抗干擾和階躍輸入控制試驗,并采集室外飛行數(shù)據(jù)。試驗證明采用的雙閉環(huán)PID專家控制策略使控制系統(tǒng)姿態(tài)穩(wěn)定、可控且具有較好的抗干擾能力,可滿足無人機低空農(nóng)田信息采集要求。(6)在高度控制中,選用MS5611氣壓計和US-100超聲波傳感器作為高度測量傳感器。針對適用于農(nóng)田信息采集多旋翼無人機對高度控制的要求,提出了氣壓計、超聲波傳感器和加速度計多源信息融合方法,以測算無人機垂直速度和高度信息。提出了基于氣壓計的單閉環(huán)PID垂直速度控制策略和基于超聲波的雙閉環(huán)高度控制策略。試驗數(shù)據(jù)表明油門通道輸入能有效調(diào)整無人機的高度位置,采用的氣壓計、超聲波傳感器和加速度計融合測算的垂直速度與高度信息可滿足無人機的高度控制要求。提出的基于氣壓計的單閉環(huán)PID垂直速度控制策略,有效控制無人機升降速度;提出的由外環(huán)PD和內(nèi)環(huán)PID組成的雙閉環(huán)高度控制策略,使無人機定高飛行,滿足無人機近地面采集農(nóng)田信息高度穩(wěn)定控制要求。(7)適用于農(nóng)田信息采集的無人機控制系統(tǒng)應(yīng)具有保存系統(tǒng)參數(shù)、無線傳輸無人機狀態(tài)信息功能。選用Flash存儲器W25Q32保存?zhèn)鞲衅髌浦岛涂刂茀?shù),采用FATFS方式方便用戶根據(jù)飛行環(huán)境修改系統(tǒng)參數(shù)。同時采用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)把無人機狀態(tài)信息發(fā)送到上位機。為了保證無線傳輸數(shù)據(jù)正確可靠,設(shè)計了數(shù)據(jù)通信協(xié)議避免丟包現(xiàn)象造成的接收數(shù)據(jù)錯誤。
【學(xué)位授予單位】：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S251
【圖文】：

圖 1.1 德國 Micro Drones 公司的MD4-200Fig.1.1 MD4-200 made by Micro Drones inGermany圖 1.2 法國 AR.DRONEFig.1.2 AR.DRONE from France在國外，目前對小型四旋翼飛行器的研究主要集中在三方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案（黃敦華等，2011）。典型代表有：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的 OS4（Omnidirectional Stationary Flying OutstretchedRobot）、賓夕法尼亞大學(xué)的 HMX4、佐治亞理工大學(xué)的 GTMARS、斯坦福大學(xué)的STARMAC（Stanford Tested of Autonomous Rotorcraft for Multi-Agent Control）等（黃敦華等，2011）。2006 年 1 月，瑞士洛桑理工大學(xué)自動化系統(tǒng)實驗室研發(fā)了電動小型四旋翼無人機

圖 1.1 德國 Micro Drones 公司的MD4-200Fig.1.1 MD4-200 made by Micro Drones inGermany圖 1.2 法國 AR.DRONEFig.1.2 AR.DRONE from France在國外，目前對小型四旋翼飛行器的研究主要集中在三方面：基于慣導(dǎo)的自主飛行控制、基于視覺的自主飛行控制和自主飛行器系統(tǒng)方案（黃敦華等，2011）。典型代表有：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院的 OS4（Omnidirectional Stationary Flying OutstretchedRobot）、賓夕法尼亞大學(xué)的 HMX4、佐治亞理工大學(xué)的 GTMARS、斯坦福大學(xué)的STARMAC（Stanford Tested of Autonomous Rotorcraft for Multi-Agent Control）等（黃敦華等，2011）。2006 年 1 月，瑞士洛桑理工大學(xué)自動化系統(tǒng)實驗室研發(fā)了電動小型四旋翼無人機

1.3 瑞士洛桑聯(lián)邦科技學(xué)院 OS4Fig.1.3 OS4 made by Swiss FederalInstitute of Technology in Lausanne圖 1.4 斯坦福大學(xué)的四旋翼飛行器Fig.1.4 Four-rotor of Stanford University麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）UAVSHMP 研發(fā)目的過地面操作實現(xiàn)多個無人機在動態(tài)環(huán)境中連續(xù)執(zhí)行任務(wù)。測試平臺由改裝的四旋人機 Dragonflyer VTi 和無人車組成，主要用于監(jiān)督和追蹤車輛和地面目標(biāo)。使用 慣性測量單元進(jìn)行姿態(tài)測量，激光掃描陣列感知周圍環(huán)境、重建并規(guī)劃飛行航線。該項目已完成了室內(nèi)環(huán)境下四旋翼無人機的飛行演示，其中包括多架四旋翼對目行連續(xù)搜索、跟蹤、多機協(xié)同和編隊飛行等實驗，如圖 1.5、圖 1.6、圖 1.7（范等，2011；仵敏娟，2007；岳基隆，2010；How et al., 2008）。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2783450