基于STM32的微型四轴飞行器研究与设计

发布时间：2017-05-10 16:10

  本文关键词：基于STM32的微型四轴飞行器研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四轴飞行器是一种新型无人飞行器，其结构简单，有着卓越的飞行稳定性，具有广阔的应用领域及很强的实用价值。四轴飞行器涉及多学科知识，包括自动控制理论、空气动力学、微电子、数字信号处理及传感器技术等，为多学科知识综合研究提供了平台，具有很高的研究价值。本文重点分析了四轴飞行器飞行原理以及对飞行控制系统作了详细设计。 依据四轴飞行器独特的特性，本文采用了最新ARM Cortex M3架构的STM32系列微处理器平台，全球首款集成加速度计与陀螺仪的MPU-6050作为飞行姿态测量传感器，以2.4G全球开放频段为无线数据传输控制方式。借鉴卡尔曼滤波器原理设计权值姿态融合算法，将当前姿态与目标姿态作比较，利用PID控制器线性调整系统PWM输出占空比，，控制电机转速以调整飞行姿态。 最后对设计的四轴飞行器样机进行实验与调试。结果显示，姿态融合算法能够有效得到稳定的飞行姿态，PID控制器可线性输出PWM占空比，飞行器能够完成基本飞行动作。
【关键词】：四轴飞行器 惯性测量 姿态融合 均值滤波 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V279;V249
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 插图附表清单10-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.2 四轴飞行器研究现状13-17
• 1.3 飞行控制系统简介17-18
• 1.4 应用领域及研究内容18-19
• 1.4.1 应用领域18
• 1.4.2 课题研究内容18-19
• 1.5 关键技术以及工作要点19-20
• 1.6 论文组织结构20-22
• 第二章 四轴飞行器原理22-36
• 2.1 飞行器整体结构22-26
• 2.1.1 引言22
• 2.1.2 结构设计22-23
• 2.1.3 运动分析23-26
• 2.1.4 运动过程注意问题26
• 2.2 飞行姿态与升力关系26-29
• 2.2.1 飞行器绕 Y 轴旋转α角度与升力之间的关系27-28
• 2.2.2 飞行器绕 X 轴旋转β角度与升力之间的关系28
• 2.2.3 飞行器绕 Z 轴旋转γ角度与升力之间的关系28-29
• 2.2.4 飞行器飞行速度与螺旋桨升力之间的关系29
• 2.3 飞行姿态测量29-34
• 2.3.1 加速度传感器30-31
• 2.3.2 角速度传感器31
• 2.3.3 加速度与角速度值融合31-34
• 2.4 无线遥控设置34-35
• 2.4.1 遥控器34
• 2.4.2 编码解码34-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 飞行器控制系统设计36-54
• 3.1 PID 控制器36-37
• 3.1.1 概述36
• 3.1.2 数字 PID 控制器36-37
• 3.1.3 分段比例控制设计37
• 3.2 硬件设计37-45
• 3.2.1 总体设计37-38
• 3.2.2 微处理器38-40
• 3.2.3 姿态传感器模块40-42
• 3.2.4 无线通讯模块42-43
• 3.2.5 电机驱动模块43-44
• 3.2.6 电源模块设计44-45
• 3.3 软件设计45-53
• 3.3.1 总体设计45-47
• 3.3.2 系统初始化47-49
• 3.3.3 数据输入49-50
• 3.3.4 姿态融合50-51
• 3.3.5 PID 控制器设计51-52
• 3.3.6 控制算法实现52-53
• 3.4 其他设计53
• 3.4.1 电机及螺旋桨53
• 3.4.2 坐标轴确定53
• 3.5 本章小结53-54
• 第四章 结果分析及改进54-60
• 4.1 实验结果54
• 4.2 控制系统分析54-56
• 4.2.1 姿态融合算法分析54-55
• 4.2.2 PID 控制器分析55-56
• 4.2.3 遥控编码解码分析56
• 4.3 功耗分析56-57
• 4.4 控制系统改进57-58
• 4.4.1 三维电子罗盘57
• 4.4.2 姿态解算改进57
• 4.4.3 改进分析57-58
• 4.5 与目前飞行器比较58
• 4.6 本章小结58-60
• 第五章 结论60-62
• 5.1 总结60-61
• 5.2 展望61-62
• 参考文献62-66
• 附录 A 飞行控制系统原理图66-67
• 附录 B 程序代码结构图67-68
• 致谢68-69

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