小型四旋翼无人直升机控制系统设计

论文摘要

四旋翼飞机由于其结构复杂、操纵性差等缺点导致其研究进展较为缓慢。近些年来,随着新型材料、微机电(MEMS)、微惯导(MIMU)技术和飞行控制理论的发展,四旋翼无人直升机获得了越来越多地关注。四旋翼无人直升机在军事和民用领域具有广阔的应用前景,可用来环境监视、情报搜集、高层建筑实时监控、协助和救助、电影拍摄和气象调查等；它还是火星探测无人飞行器的重要的研究方向之一本文针对小型四旋翼无人直升机,以TMS320F28335为核心,设计了四旋翼无人直升机控制器的软硬件系统,实现了近地环境下的姿态控制。首先,根据设计目标对控制系统总体结构、软硬件整体进行设计。按功能将控制系统划分成机体平台、控制器模块、传感器模块、电源模块、数据处理模块和通讯模块六个独立的模块。本文设计了基于四元数法的捷联式惯性导航系统,并经过实际系统检验。为了克服惯性导航固有的参数发散缺陷,本文给出了导航补偿方法,实验结果说明了补偿方法的有效性。为了克服A／D转换存在的偏差和高频噪声问题,本文设计了软件矫正算法数字低通滤波器,减少了A／D偏差,降低了高频噪声。姿态控制是飞行控制的核心问题,四旋翼无人直升机的结构特殊性决定了其控制器设计的特殊性：四旋翼无人直升机通过四个螺旋桨实现对六个被控量的控制,是一个欠驱动系统。本文建立了四旋翼无人机的非线性动力学模型,设计了PID控制器进行姿态控制。仿真和实际系统控制结果表明,该PID控制器可以得到较好的姿态控制效果,验证了控制系统设计的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 四旋翼直升机工作原理
• 1.3 四旋翼直升机发展历史
• 1.4 国内外研究现状和研究热点
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.4.3 四旋翼直升机研究热点
• 1.5 论文内容安排
• 2 总体设计
• 2.1 设计目标
• 2.2 控制系统结构设计
• 2.2.1 硬件总体设计
• 2.2.2 软件总体设计
• 2.3 控制系统功能设计
• 2.3.1 导航系统
• 2.3.2 控制算法
• 2.3.3 通信系统
• 2.3.4 电源系统
• 2.3.5 控制器选型
• 2.4 小结
• 3 硬件系统设计
• 3.1 硬件选型
• 3.1.1 传感器选型
• 3.1.2 无线通信模块选型
• 3.1.3 推进组及电机驱动选型
• 3.1.4 处理器选型
• 3.2 硬件系统设计
• 3.2.1 硬件系统重量分布
• 3.2.2 DSP最小系设计
• 3.2.3 信号逻辑电平匹配设计
• 3.2.4 电路抗干扰设计
• 3.2.5 PCB布局及注意事项
• 3.3 小结
• 4 四旋翼无人机捷联惯导系统设计
• 4.1 导航坐标系描述
• 4.1.1 方向余弦阵
• 4.1.2 四元数法
• 4.2 四旋翼无人机捷联惯导设计
• 4.2.1 惯性导航方案设计
• 4.2.2 捷联式惯导
• 4.2.3 捷联惯导简化设计
• 4.3 导航系统的静态分析
• 4.3.1 分析条件
• 4.3.2 传感器采样数据处理
• 4.3.3 姿态角静态稳定性
• 4.3.4 捷联惯导的校准
• 4.3.5 结果分析
• 4.4 小结
• 5 四旋翼无人机建模与仿真
• 5.1 引言
• 5.2 系统建模
• 5.2.1 直线运动的模型
• 5.2.2 旋转运动的模型
• 5.2.3 直流电机的模型
• 5.3 四旋翼无人机模型参数辨识
• 5.3.1 模型参数辨识
• 5.3.2 辨识结果与分析
• 5.4 四旋翼无人直升机的控制器设计
• 5.4.1 四旋翼直升机的基本运动状态
• 5.4.2 四旋翼无人直升机的姿态控制结构
• 5.5 系统仿真分析
• 5.5.1 仿真平台搭建
• 5.5.2 四旋翼无人机模型分析
• 5.6 小结
• 6 软件系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 软件系统总流程
• 6.3 系统初始化自检模块
• 6.3.1 软件系统初始化
• 6.3.2 硬件系统初始化
• 6.4 数据采集模块和无线通信模块
• 6.4.1 数字罗盘信息采集
• 6.4.2 高度声纳的信息获取
• 6.4.3 惯性传感器参数的获取
• 6.4.4 无线通讯模块
• 6.5 A/D的软件校正
• 6.6 数字滤波算法
• 6.7 捷联惯导算法
• 6.8 小结
• 7 系统调试
• 7.1 引言
• 7.2 电源调试
• 7.3 DSP最小系统调试
• 7.4 数字罗盘和无线通信调试
• 7.5 声纳调试
• 7.6 加速度计和陀螺仪调试
• 7.7 系统调试
• 7.7.1 系统正向标定
• 7.7.2 姿态控制参数调试
• 7.8 小结
• 8 总结与展望
• 致谢
• 参考文献