基于嵌入式的四旋翼飞行器姿态控制设计

发布时间：2017-07-17 11:31

  本文关键词：基于嵌入式的四旋翼飞行器姿态控制设计

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【摘要】：随着微小型处理器、传感器、电机等技术的前进,以及姿态解算方法和控制算法的发展,多旋翼飞行器的研究和开发受到广大科研院校及科技公司的关注。飞行器的姿态控制研究是其核心内容之一,直接影响着其性能及推广应用。论文从学习研究四旋翼飞行器整体系统的角度出发,选用低成本、高可靠性的微小型传感器模块及处理器设计四旋翼飞行器样机,旨在通过优化数据处理及控制算法改善飞行器的稳定性及可靠性,为开展飞行器完全自主飞行研究。首先,制定研究所需飞行器的设计要求,选用合适的机架及配套的电机、电子调速器(电调)及供电锂电池,初步构成四旋翼的框架。设计了以STM32F103为主控微处理器,集成加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计,同时外扩连接GPS模块、超声波、通信模块等,实现飞行器的运动及姿态相关信息的测量,完成了四旋翼飞行器的硬件的搭建。其次,对四旋翼飞行器的姿态解算及控制算法进行设计。针对单一传感器测量精度差、可靠性低的问题,设计了基于信息融合的姿态解算法,利用互补滤波的方法,将加速度、陀螺仪和磁力计的测量值根据其特点进行基于四元数法的综合解算,得到姿态角的最优估计；高度及位置测量中采用了分散卡尔曼滤波的融合算法,将超声波、气压计、GPS和加速度计的测量值融合解算,得到高度和位置的最优估计,实现了姿态位置信息的实时可靠获取。同时根据四旋翼飞行器的动力学特点及控制策略,设计了基于改进PID的姿态角实时调整控制方法,以及基于姿态角控制的位置控制算法,提高飞行器的运动稳定性。最后,介绍了四旋翼飞行器的主要模块的软件设计及流程,在MDK-ARM v5嵌入式开发平台上实现飞行器的软件功能的设计及调试工作,针对飞行器的硬件平台及模块进行了调试验证,最后对飞行器进行了试飞调试,验证其性能。
【关键词】：四旋翼飞行器 样机设计 姿态解算 控制算法
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 发展历程10-12
• 1.2 研究现状12-14
• 1.3 应用领域及前景14-15
• 1.4 关键技术及问题15-16
• 1.5 论文的主要内容安排16-18
• 2 四旋翼飞行器样机的总体设计及分析18-38
• 2.1 四旋翼飞行器样机的搭建19-20
• 2.2 四旋翼飞行器的主控及传感器部分设计20-31
• 2.2.1 核心处理器的选型与设计20-23
• 2.2.2 惯性传感器的选型与设计23-26
• 2.2.3 气压计传感器的选型与设计26-28
• 2.2.4 超声波传感器的选型与设计28-30
• 2.2.5 GPS模块的选型与设计30-31
• 2.3 四旋翼的动力部分设计31-34
• 2.3.1 电源及其供电31-33
• 2.3.2 无刷电机及电调33-34
• 2.4 通信模块设计34-35
• 2.5 四旋翼飞行器的整体功能35-36
• 2.6 总结36-38
• 3 四旋翼飞行器的姿态位置解算38-65
• 3.1 四旋翼飞行器的姿态解算40-55
• 3.1.1 姿态解算的方法40-43
• 3.1.2 基于四元数的姿态解算43-45
• 3.1.3 四旋翼飞行器的姿态角解算45-48
• 3.1.4 基于传感器融合技术的四元数姿态解算48-53
• 3.1.5 仿真实验53-55
• 3.2 四旋翼飞行器的位置解算55-64
• 3.2.1 高度位置解算56-61
• 3.2.2 飞行器的水平位移速度解算61-62
• 3.2.3 仿真实验62-64
• 3.3 总结64-65
• 4 四旋翼飞行器的控制系统设计65-75
• 4.1 四旋翼飞行器的运动力学分析65-66
• 4.2 PID控制算法66-69
• 4.3 四旋翼的PID设计69-72
• 4.3.1 四旋翼飞行器的姿态PID设计69-71
• 4.3.2 四旋翼飞行器的位置PID设计71-72
• 4.4 仿真实验72-74
• 4.5 总结74-75
• 5 四旋翼飞行器开发及实现方法75-87
• 5.1 开发环境及工具75-76
• 5.2 四旋翼飞行器的软件设计76-80
• 5.3 调试验证80-86
• 5.3.1 硬件电路的调试81-82
• 5.3.2 传感器模块测试82-83
• 5.3.3 控制设计调整83
• 5.3.4 四旋翼飞行器整体调试83-86
• 5.4 总结86-87
• 6 总结与展望87-89
• 参考文献89-92
• 攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果92-93
• 致谢93

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1 宋亚平;浅谈旋翼的防腐维护[J];航空维修与工程;2004年04期

2 _5^懔，

本文编号：553426