四旋翼无人机飞控系统设计

发布时间：2017-06-02 11:12

  本文关键词：四旋翼无人机飞控系统设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：四旋翼早在1907年就已经有人研究,但是由于其结构复杂,操作困难以及飞行的不稳定性,因此并没有引起大家的重视。但是近几年科学技术高速发展,特别是微电子技术有了长足的进步使得无人机技术再次进入人们的视野,四旋翼飞行器拥有控制灵活、体积小、重量轻、稳定性好、可垂直起降和定点悬停等特点,不论是在军事上还是民用上都拥有非常广泛的应用前景。本文首先是对四旋翼飞行器的结构组成,工作原理上进行分析,并建立起四旋翼飞行器的动力学模型。再根据设计要求,本论文采用TI公司的DSP微处理器来做主控制器;采用MPU6050芯片来设计姿态传感器模块;HMC5883L是一款高灵敏度的磁传感器,本次论文利用它来设计航向测量模块;采用BMP085来设计高度测量模块;本次论文在四旋翼飞行器上集成了GPS模块,在四旋翼飞行器飞行时进行定位控制,该GPS模块选用的是NEO—6M芯片;最后在与上位机或是遥控器进行无线通信时,本文采用了nRF24L01无线收发芯片来设计无线传输模块。硬件平台搭建完成后,接下来是对飞行器软件架构进行设计,让其能够完成悬停,上下飞行,平移等运动。首先是完成各传感器数据的采集工作,对采集到的数据进行分析,并使用卡尔曼滤波进行数据融合;再采用模糊控制算法对其姿态进行控制;最后通过地面遥控器发送控制信号对四旋翼飞行器进行控制。在论文的最后,对四旋翼飞行器进行了实验测试。首先进行地面静态测试,得到姿态信息发送给上位机显示;然后进行空中动态飞行测试,分别完成垂直,前进后退,左右侧飞,左右偏航等运动。经过实验,四旋翼飞行器能够较好的完成上述等运动,打到实验要求。
【关键词】：四旋翼飞行器 GPS定位 模糊控制
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-13
• 1.1 课题研究目的和意义8
• 1.2 国内外发展及研究现状8-12
• 1.2.1 遥控航模四旋翼飞行器8-9
• 1.2.2 小型四旋翼飞行器9-10
• 1.2.3 微型四旋翼飞行器10-11
• 1.2.4 国内四旋翼飞行器11-12
• 1.3 主要研究内容及结构安排12
• 1.4 小结12-13
• 第2章 建立四旋翼飞行器数学模型13-28
• 2.1 四旋翼飞行器的结构以及原理13-17
• 2.1.1 四旋翼飞行器的工作原理13-16
• 2.1.2 四旋翼无人机的结构组成16-17
• 2.2 数学模型的建立17-22
• 2.2.1 坐标系及坐标转换矩阵17-18
• 2.2.1.1 坐标系的建立17-18
• 2.2.1.2 坐标变换矩阵18
• 2.2.2 动力学模型的建立18-22
• 2.2.2.1 四旋翼飞行器的动力学模型19-20
• 2.2.2.2 非线性动力学模型20-22
• 2.3 设计模糊PI控制与仿真22-27
• 2.3.1 模糊PI控制22-27
• 2.3.1.1 模糊论域23
• 2.3.1.2 隶属函数23-24
• 2.3.1.3 模糊规则表24-25
• 2.3.1.4 模糊推理及反模糊化25
• 2.3.1.5 参数确定25-26
• 2.3.1.6 MTLAB仿真26-27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 硬件设计28-42
• 3.1 四旋翼飞行器设计28-29
• 3.1.1 飞控系统总体框图28-29
• 3.2 四旋翼飞行器硬件设计29-38
• 3.2.1 主控制芯片29-30
• 3.2.2 IMU传感器模块设计30-33
• 3.2.3 磁航向计模块设计33-34
• 3.2.4 高度传感器模块设计34-35
• 3.2.5 GPS定位模块35-38
• 3.3 无线通信数据链38-41
• 3.3.1 手持无线遥控器38-40
• 3.3.2 无线数据传输40-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 软件设计与测试42-58
• 4.1 软件开发环境简介42-43
• 4.2 传感器的数据采集与分析43-51
• 4.2.1 数据采集所采用的I2C总线协议介绍43-44
• 4.2.2 姿态传感器数据采集44-46
• 4.2.3 高度测量模块数据采集46-49
• 4.2.3.1 BMP085温度和压强的数据读取和换算46-47
• 4.2.3.2 海拔高度的计算47-48
• 4.2.3.3 测量结果分析48-49
• 4.2.4 磁航向模块数据采集49-51
• 4.3 GPS模块软件编程51-54
• 4.3.1 NMEA-0183协议51-52
• 4.3.2 GPS模块软件调试52-54
• 4.4 数据处理54-57
• 4.4.1 滤波分析54
• 4.4.2 卡尔曼滤波算法54-57
• 4.5 本章小结57-58
• 第5章 四旋翼飞行器实验58-65
• 5.1 飞行试验准备58-59
• 5.1.1 搭建平台58
• 5.1.2 试飞实验注意事项58-59
• 5.2 试验内容59-64
• 5.2.1 地面静态实验测试59-61
• 5.2.2 动态飞行实验测试61-63
• 5.2.3 结论63-64
• 5.3 本章小结64-65
• 第6章 总结与展望65-66
• 参考文献66-69
• 致谢69-70

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本文编号：415090