多传感器融合的四旋翼飞行器关键技术研究

论文摘要

四旋翼飞行器（Quad-Rotor）属于一种新兴的旋翼式无人飞行器（UAV）概念,与常见的主旋翼加尾桨直升机以及共轴双桨直升机有较大的区别。四旋翼飞行器具有分布在圆周上的四个旋翼,控制时仅需调节四个旋翼的转速即可控制飞行器的飞行姿态和飞行速度,而不需要复杂的变桨矩控制。由于省却了机械控制部件,从而实现了电传操纵,增强了系统的稳定性和易操作性。另外,四旋翼飞行器还可实现其他飞机无法实现的定点全向运动,特别适合在低空领域执行侦察、监视、中继通信等任务,具有较高的研究和应用价值。本文针对四旋翼飞行器进行了初步的研究和设计。首先,介绍了目前国内外对四旋翼飞行器的研究状况和本课题的主要研究内容。其次从理论上对四旋翼飞行器空气动力学和运动学模型做了初步探讨,并将经典的PID控制算法应用到机体负反馈自平衡系统中。接着重点对整个四旋翼飞行器的原型实验样机进行了设计制作,包括总体框架设计,控制系统软件设计、硬件设计制作以及最后的飞行器调试与试飞验证,最后对本项目做了简要的总结和展望。本飞行器飞行控制平台采用ATMega128系列单片机进行控制,软件全部用C语言编程实现。整个控制系统包括电源模块、告警和指示模块、多传感器融合模块、在线调试模块、无线遥控模块、电机驱动模块及主控制模块等,其中多传感器融合模块为整个系统的核心,包括航姿参考系统（AHRS）.气压高度计、超声波测距仪和GPS全球定位系统四个子模块。本控制系统的实现为进一步研究四旋翼飞行器,实现自主控制奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 历史背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 2 系统理论基础及建模
• 2.1 引言
• 2.2 系统构造及飞行控制原理
• 2.2.1 系统构造
• 2.2.2 飞行控制原理
• 2.3 非线性模型的建立
• 2.3.1 假设条件
• 2.3.2 坐标系定义及变换
• 2.3.3 非线性数学模型
• 2.4 模型的线性化
• 3 四旋翼飞行器PID负反馈控制方法
• 3.1 引言
• 3.2 模拟PID控制原理
• 3.3 数字PID控制
• 3.3.1 位置式PID算法
• 3.3.2 增量式PID算法
• 3.4 基于PID的飞行控制系统设计
• 3.5 PID参数整定
• 3.5.1 凑试法
• 3.5.2 临界比例法
• 4 飞行控制系统硬件设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 飞行控制系统需求分析
• 4.3 硬件总体结构
• 4.4 主控制器模块
• 4.4.1 ATMega128 单片机
• 4.4.2 主控制器模块电路设计
• 4.5 多传感器融合模块
• 4.5.1 航姿参考系统（AHRS）
• 4.5.2 气压高度计模块
• 4.5.3 超声波测距模块
• 4.5.4 GPS模块
• 4.6 无感无刷直流电机控制模块
• 4.6.1 电机选型
• 4.6.2 无感BLDCM工作的基本原理
• 4.6.3 电机的控制模型
• 4.6.4 驱动与控制方法
• 4.6.5 电机控制模块电路设计
• 4.7 无线遥控模块
• 4.8 电源模块
• 5 飞行控制系统软件设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 飞行控制系统软件总体设计
• 5.2.1 运动控制总体规划
• 5.2.2 飞行控制系统软件总体架构
• 5.2.3 飞行控制系统软件总的工作流程
• 5.2.4 软件开发平台简介
• 5.3 主控制器资源分配
• 5.4 多传感器数据采集模块
• 5.4.1 ADIS16405航姿参考系统数据采集
• 5.4.2 气压高度计模块数据采集
• 5.4.3 超声波测距模块数据采集
• 5.4.4 GPS模块数据采集
• 5.5 电机控制模块软件设计
• 5.6 无线遥控模块软件设计
• 6 系统调试与试飞
• 6.1 引言
• 6.2 上位机在线调试方法
• 6.3 参数整定与试飞
• 7 结论
• 8 展望
• 9 参考文献
• 10 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 11 致谢