具有自主巡航功能的四旋翼飞行器设计

发布时间：2017-08-11 16:43

  本文关键词：具有自主巡航功能的四旋翼飞行器设计

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【摘要】：四旋翼飞行器是一种新型的可垂直起降、飞行方式独特的小型无人机,具有姿态保持能力强、机动性好、结构简单等优于其他飞行器的特点,应用前景非常广阔。本文首先设计了四旋翼飞行器硬件总体方案,对电源、螺旋桨、电机、电子调速器进行仔细选型。主控制器采用的是ATmega2560微处理器;对于惯性测量单元,选用MPU6000芯片,在此芯片中集成了三轴加速度计和陀螺仪;磁力计模块采用的是高灵敏度的磁航向计HMC5883L;对于气压计模块,选用高精度的BMP085数字压力传感器;对于导航模块,选用的是正点公司的ATK-NEO—6M-V2.3GPS模块,定位芯片采用的是U-BLOX NEO-6M模组;图传模块采用的是FPV 5.8G 32频道600mw图传模块,包括发射模块TS835和接收模块RC832;电压报警模块采用AOK 1-8S电量显示器;无线通信模块采用的是3DR Radio Telemetry数传模块。然后分析了四旋翼飞行器的基本结构与工作原理,阐述了建模的方法和步骤,并建立坐标系,以此为基础对四旋翼飞行器进行数学建模。根据动力学模型对四旋翼飞行器的运动形式进行仿真。设计PID控制器的控制回路,对控制系统进行仿真分析,得出各通道的阶跃响应曲线仿真结果。介绍了捷联惯性导航系统的基本原理和姿态角推导过程与GPS导航系统的工作原理和导航解算过程,应用扩展卡尔曼滤波器将两种导航方式组合起来得到GPS/INS组合导航系统,并对其进行实验验证,实现了为飞行器提供导航的功能。最后在户外进行飞行测试,总结实验数据,验证了四旋翼飞行器保持姿态稳定、自主起降、定点悬停、自主导航等各项性能,充分说明所设计的四旋翼飞行器及自主导航系统具备了初步自主巡航的能力,并且飞行性能良好。
【关键词】：四旋翼飞行器 运动仿真 PID控制 自主巡航 飞行测试
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V275.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 四旋翼飞行器及自主导航技术国内外研究现状11-17
• 1.2.1 国外研究现状12-15
• 1.2.2 国内研究现状15-17
• 1.3 主要研究内容17-18
• 第2章 四旋翼飞行器硬件总体方案与部件选型18-33
• 2.1 四旋翼飞行器系统总体方案设计18-19
• 2.2 器件选型19-22
• 2.2.1 电机选型19-20
• 2.2.2 螺旋桨选型20
• 2.2.3 电子调速器选型20-21
• 2.2.4 电源选型21-22
• 2.3 主控模块ATmega256022-23
• 2.4 传感器模块与选型分析23-30
• 2.4.1 IMU传感器模块23-24
• 2.4.2 磁力计模块24-25
• 2.4.3 气压计模块25-26
• 2.4.4 GPS模块26-28
• 2.4.5 图传模块28-29
• 2.4.6 电源低压报警模块29-30
• 2.5 无线通信模块与选型分析30-32
• 2.5.1 手持无线遥控器30-31
• 2.5.2 数传模块31-32
• 2.6 四旋翼系统接线方式的设计32
• 2.7 本章小结32-33
• 第3章 四旋翼飞行器动力学建模与PID控制器设计33-54
• 3.1 四旋翼飞行器工作原理33-35
• 3.2 四旋翼飞行器的运动学建模与仿真35-45
• 3.2.1 四旋翼飞行器模型的建立与建模步骤35-36
• 3.2.2 建立坐标系36-37
• 3.2.3 动力学方程37-41
• 3.2.4 运动仿真分析41-45
• 3.3 四旋翼飞行器的PID控制器设计45-53
• 3.3.1 控制回路设计45-48
• 3.3.2 构建Simulink仿真回路48-51
• 3.3.3 控制系统仿真分析51-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 四旋翼飞行器自主导航系统与算法实现54-63
• 4.1 惯性导航系统54-56
• 4.2 GPS导航系统56-58
• 4.3 GPS/INS组合导航系统58-62
• 4.3.1 GPS/INS组合导航系统算法58-60
• 4.3.2 组合导航系统实验60-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 四旋翼飞行器飞行性能测试与结果分析63-72
• 5.1 地面站监控系统与机载摄像头测试63-65
• 5.2 户外飞行测试65-71
• 5.2.1 姿态稳定性能与指令跟踪性能测试65-68
• 5.2.2 自主起降与高度保持测试68-69
• 5.2.3 定点悬停测试69-70
• 5.2.4 航迹点跟踪测试70-71
• 5.3 本章小结71-72
• 结论72-73
• 参考文献73-77
• 附录 177-78
• 附录 278-79
• 攻读学位期间发表的学术论文79-80
• 致谢80

【参考文献】

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1 李树锋;;航迹推算中卡尔曼滤波算法研究[J];中国科技信息;2013年11期

2 张W，

本文编号：657201