基于数据融合的四旋翼无人机控制器的研究

发布时间：2017-03-30 01:01

  本文关键词：基于数据融合的四旋翼无人机控制器的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼无人机可以实现飞行的垂直起降、定点悬停等其他飞行器完成不了的飞行任务,在军事和民用领域都得到广泛应用,已逐渐成为国际研究的热点,并深受研究者们的青睐。为实现其稳定可靠的飞行对于微处理器、导航技术、机体设计、多传感器技术、控制算法等各个方面都有较高的技术要求;因此,四旋翼无人机的研究给导航技术、多传感器技术、控制方法等领域提供了一个非常便捷、有效的研究平台,发展前景十分广阔。本文在综述飞行器的研究现状和应用前景的基础上,对多种控制算法展开分析说明,并针对其独特特性,重点对飞行器的数学模型、非线性控制器及数据滤波等问题进行研究,论文研究内容和主要工作如下:(1)建立四旋翼无人机的动力学模型:将飞行器视为刚体,选取影响其运动的关键力及力矩,再由牛顿-欧拉方程推导出系统状态方程和电机转子的数学模型。(2)基于Backstepping方法的四旋翼无人机控制器的设计:对Backstepping方法的思想理念、推导过程做了简要说明。在双回路结构控制基础上,根据前面建立的数学模型,将Backstepping方法进行改进,提出了基于准滑模反步法的控制器设计,对多个传感器的数据滤波过程进行说明,并通过仿真实验,与典型PID控制方法相比较。(3)四旋翼无人机的硬件设计:硬件设计包括主要对器件的选型和电路的设计。本文主控制器选用STM32F103RBT6芯片,传感器模块选用了MPU-6050、电子罗盘HMC5883L模块、超声波US-100模块,GPS;无线通信模块选用了NRF24L01芯片,并针对上述选择的器件自主设计了飞行器的硬件电路。(4)介绍了四旋翼无人机的软件设计和实验调试:根据硬件系统对系统软件的设计进行总体概括说明,为验证设计控制器的实际效果,对样机进行了室内性能测试。随后对设计的控制系统进行整体概括,对存在的不足和缺点提出了下一步的工作任务。
【关键词】：四旋翼无人机 动力学方程 滑模变结构 Backstepping方法
【学位授予单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP202;V249.1
【目录】：

• 摘要8-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题背景及意义11-12
• 1.2 四旋翼无人机国内外研究现状12-16
• 1.3 四旋翼无人机控制方法研究16-17
• 1.4 论文的主要研究内容及章节安排17-19
• 第二章 四旋翼无人机的动力学模型19-27
• 2.1 四旋翼无人机原理介绍19-21
• 2.2 参考坐标系的选择21-22
• 2.3 四旋翼无人机的动力学模型22-26
• 2.3.1 动力学方程的建立23-24
• 2.3.2 系统状态方程24-25
• 2.3.3 直流电机动力学模型25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 基于数据融合的四旋翼无人机控制器的设计27-42
• 3.1 Backstepping方法的控制原理27-29
• 3.1.1 Lyapunov稳定性的基本概念27
• 3.1.2 Backstepping方法及稳定性27-29
• 3.2 滑模变结构控制的原理29-31
• 3.2.1 滑模变结构控制的基本概念29-30
• 3.2.2 滑动模态存在及到达条件30-31
• 3.3 四旋翼无人机控制器的设计31-35
• 3.3.1 基于准滑模反步法的姿态控制设计31-33
• 3.3.2 基于准滑模反步法的高度控制设计33-34
• 3.3.3 基于准滑模反步法的位置控制设计34-35
• 3.4 多传感器数据融合的滤波研究35-38
• 3.4.1 滤波方法介绍35
• 3.4.2 互补滤波器的设计35-36
• 3.4.3 Kalman滤波器的设计36-38
• 3.4.4 数据融合滤波算法总结38
• 3.5 控制策略的仿真结果与分析38-41
• 3.6 本章小结41-42
• 第四章 四旋翼无人机的硬件设计42-52
• 4.1 控制器选型42-43
• 4.2 电源模块43
• 4.3 传感器模块43-48
• 4.3.1 姿态测量传感器44-46
• 4.3.2 高度测量传感器46-47
• 4.3.3 位置测量传感器47-48
• 4.4 电机及其驱动模块48-50
• 4.5 无线通讯模块50-51
• 4.6 本章总结51-52
• 第五章 软件设计及调试结果52-58
• 5.1 飞行控制系统运行的总体结构52-53
• 5.2 系统软件设计概括53-54
• 5.3 系统调试与飞行54-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况63-64
• 致谢64

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 李俊;李运堂;;四旋翼飞行器的动力学建模及PID控制[J];辽宁工程技术大学学报(自然科学版);2012年01期

2 赵元伟;卢京朝;;四旋翼飞行器的建模及基于反步法的控制[J];科学技术与工程;2013年34期

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本文编号：275821