多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计

发布时间：2017-07-05 15:00

  本文关键词：多旋翼无人机的嵌入式自主飞行控制系统设计

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【摘要】：本文以多旋翼无人机为研究对象,依据多旋翼无人机的特点,设计出一套通用的嵌入式自主飞行控制系统,使各式各样的多旋翼无人机能够搭载这套硬件系统进行控制飞行。本文的主要内容如下： (1)根据控制系统高实时性以及能够进行多任务处理的性能要求,设计了控制系统的硬件电路。采用一种新型的双芯片处理器架构,并且给出了整个硬件的传感器设计电路、电源电路、隔离电路等。 (2) uC/OS Il(Micro Control Operation System Two)是一种可固化的、可裁剪的、抢占式的、实时多任务内核,尤其适合飞行控制系统。故为了提高控制系统的可维护性和实时性,本文采用uC/OS Ⅱ嵌入式操作系统来进行系统管理。文中给出了uC/OS Ⅱ详细的移植要求和步骤,最后在硬件控制系统中成功移植。 (3)对无人机导航算法的应用进行了研究,分别是基于扩展卡尔曼的ARHS (Attitude Heading Refernce System)设计和INS (Inertial Navigation System)设计。ARHS主要提供姿态角信息,而为了提高姿态角推算的准确性,本文提出一种将动加速度作为噪声加入到观测方程,陀螺的偏移误差加入到状态方程,联合推算姿态角的算法。INS主要是推算出速度信息和位置信息,针对GPS信号的不准确性,提出一种利用加速度计和气压计联合补偿推算的算法。通过将设计的算法嵌入到控制系统中,将算法输出结果与商用MTI-G进行比较,结果证明导航算法准确性较高。 (4)以四旋翼无人机为研究对象,进行姿态、速度和位置的建模,采用不完全微分PID方法设计控制器。并通过实验飞行证明设计的控制系统行之有效。 通过上述工作,本文设计的双芯片控制系统已经搭载于各类多旋翼无人机中进行控制飞行,为无人机的研究提供了一种可裁剪、可维护且价格低廉的控制平台,方便使用人员进行二次开发。
【关键词】：双芯片 自主飞行 uC/OSⅡ ARHS设计 INS设计
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 目录3-5
• 摘要5-6
• Abstract6-7
• 第一章 绪论7-14
• 1.1 课题研究背景及意义7-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-13
• 1.3 本文研究内容和组织结构13-14
• 第二章 基础理论14-26
• 2.1 坐标系定义14-15
• 2.2 姿态角定义15-16
• 2.3 四元数理论16-18
• 2.4 卡尔曼滤波理论18-23
• 2.4.1 线性离散系统的卡尔曼滤波18-19
• 2.4.2 扩展卡尔曼滤波器19-23
• 2.5 控制理论23-26
• 2.5.1 PID控制理论23-24
• 2.5.2 不完全微分PID控制理论24-26
• 第三章 多旋翼无人机硬件设计26-39
• 3.1 多旋翼无人机的特点26-27
• 3.2 多旋翼无人机的性能指标要求及总体控制方案27-28
• 3.3 飞行控制系统的硬件设计28-38
• 3.3.1 电源模块设计28-29
• 3.3.2 处理器模块29-30
• 3.3.3 传感器模块30-34
• 3.3.4 数据采集模块34-36
• 3.3.5 无线通讯模块36-37
• 3.3.6 PWM输出模块37-38
• 3.4 PCB布局38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 多旋翼无人机的嵌入式软件系统设计39-56
• 4.1 软件系统要求39
• 4.2 uC/OSⅡ简介39-43
• 4.3 uC/OSⅡ移植43-48
• 4.3.1 软件开发环境43
• 4.3.2 UC/OSⅡ移植43-48
• 4.4 系统任务方案48-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第五章 自主飞行导航算法研究56-65
• 5.1 姿态与航向参考系统(ARHS)设计56-59
• 5.1.1 姿态和航向估计算法56-58
• 5.1.2 扩展卡尔曼设计58-59
• 5.2 惯性导航系统(INS)设计59-62
• 5.2.1 高度测量61
• 5.2.2 扩展卡尔曼设计61-62
• 5.3 算法可行性验证62-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 多旋翼无人机控制器设计65-72
• 6.1 控制器设计65-71
• 6.2 本章小结71-72
• 第七章 实验及实验分析72-76
• 7.1 姿态飞行72-73
• 7.2 速度飞行73-74
• 7.3 位置飞行74-75
• 7.4 本章小结75-76
• 第八章 结论与展望76-77
• 8.1 总结76
• 8.2 展望76-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 专利和论文发表情况82

【参考文献】

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本文编号：522399