四旋翼飞行器飞行控制系统研究与仿真

论文摘要

四旋翼飞行器是一种电动的、能够垂直起降的、多旋翼式无人飞行器。近些年来，随着飞行控制理论、机电一体化技术、传感器技术等的飞速发展，四旋翼飞行器的应用前景越来越广阔，并受到了越来越广泛地关注。本文针对一种四旋翼飞行器，根据其动力学特性建立了数学模型，并以CycloneⅡEP2C8Q208C型号的FPGA芯片为控制核心，设计了四旋翼飞行控制器的硬件系统，最后通过实验仿真进行了性能测试和结果分析。本文完成了如下的主要工作：将四旋翼飞行控制系统分成旋翼控制子系统、传感器子系统和通信子系统，通过分析其飞行原理，对各个子系统的结构、整体硬件电路进行了设计。应用捷联式惯性导航原理设计了飞行器的导航系统，整合传感器采集到的数据使其准确的反映出飞行器当前的飞行姿态，用于下一步的姿态控制。为解决导航系统姿态角缓慢发散的缺陷，本文给出了姿态角的校正方法，通过实验验证了校正方法的有效性。对所设计的四旋翼飞行器建立了系统的数学模型，从动力学和运动学两方面分析其系统特性，得到了飞行器的运动方程。飞行器的姿态控制是整个飞行控制系统的最主要部分，四旋翼飞行器实际上是通过四个电机转动输入来实现三轴姿态和位置等六个被控量的输出，是一个典型的欠驱动系统。本文使用经典PID控制算法对四旋翼飞行器姿态角和位置做了闭环控制，运用MATLAB/simulink搭建了飞行器的仿真系统。通过仿真实验，结果表明该控制算法对姿态的控制效果良好，验证了所设计的控制系统的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究背景及意义
• 1.3 国内外的研究现状及主要问题
• 1.3.1 研究现状
• 1.3.2 研究中的主要问题
• 1.4 本文研究的主要内容及工作安排
• 1.4.1 研究的主要内容
• 1.4.2 章节安排
• 2.四旋翼飞行器的总体设计
• 2.1 四旋翼飞行器的结构框架及飞行原理
• 2.2 设计目标
• 2.3 总体结构设计
• 2.3.1 旋翼控制子系统工作方式
• 2.3.2 传感器子系统工作方式
• 2.3.3 通信子系统工作方式
• 2.4 硬件总体设计
• 2.5 软件总体设计
• 3.飞行器硬件电路系统设计
• 3.1 主控制器设计
• 3.1.1 控制器选型
• 3.1.2 FPGA 最小系统
• 3.2 LED 测试电路及 Buzzer 蜂鸣器电路设计
• 3.3 UART 串行接口电路
• 3.4 传感器电路设计
• 3.4.1 惯性传感器选型
• 3.4.2 传感器电路连接原理
• 3.5 电源供电电路设计
• 3.5.1 芯片介绍
• 3.5.2 电源供电电路原理
• 3.6 无刷直流电机驱动电路设计
• 3.6.1 驱动及执行机构器件介绍
• 3.6.2 电机驱动电路原理
• 4.四旋翼飞行器导航系统解算
• 4.1 导航系统参考坐标系描述
• 4.2 惯导系统基本原理
• 4.2.1 平台式惯性导航系统基本原理
• 4.2.2 捷联式惯性导航系统基本原理
• 4.3 捷联式惯性导航系统的位置方程和姿态方程
• 4.3.1 导航系统位置方程
• 4.3.2 惯导系统的姿态方程
• 4.4 系统位置参数及姿态角计算
• 4.5 导航系统静态分析
• 5.四旋翼飞行器的建模与控制系统仿真
• 5.1 飞行器系统建模
• 5.2 系统控制算法
• 5.3 仿真结果及分析
• 6.调试
• 6.1 电源调试
• 6.2 陀螺仪、加速度计和数字罗盘调试
• 6.3 控制电机调试
• 6.4 系统调试
• 7.总结与展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文情况
• 致谢