微型平直可折叠扑翼飞行器的控制技术

论文摘要

微型扑翼飞行器（Flapping-Wing Micro Air Vehicle,简称FMAV）是一种模仿鸟类或昆虫飞行,基于仿生学原理设计制造的飞行微型机器人。与固定翼和旋翼飞行器相比,其主要特点是可以将举升、悬停和推进功能集成于一体,尺寸小,重量轻,隐蔽性好,具有很强的机动性和灵活性。无论是在军事领域还是在民用领域,微型扑翼飞行器都有十分诱人的应用前景。微型扑翼飞行器的研究受到了越来越多的关注。本论文在总结了前人对微型扑翼飞行器研究的基础上,主要探索了微型平直可折叠扑翼飞行器的控制技术。建立了适用于扑翼飞行器分析的坐标系,导出了坐标系之间的变换矩阵。对微型平直可折叠扑翼飞行器的空气动力和空气动力矩进行了分析和计算,分析了运动参数对气动力和气动力矩的影响。通过扑翼飞行器的姿态运动学方程和动力学方程,建立了气动力和气动力矩与飞行器位置和姿态之间的关系。针对微型扑翼飞行器高度控制,设计了增量式PID控制器和模糊PID控制器。利用MATLAB/Simulink进行了仿真,证明了该方法的可行性。设计了飞行器弹跳起飞控制系统,以MC9S08QD4微处理器为主控芯片,控制弹跳机构的弹跳和翅膀的扑动。并制作了实验样机,经过多次实验中,飞行器能够自主原地弹跳起飞。设计了飞行器飞行控制系统,以STM32微处理器作为主控芯片,利用传感器对飞行器飞行状态信息进行采集,利用卡尔曼滤波对姿态角的数据进行处理。制作了电路板,并编写和调试了程序。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 微型扑翼飞行器设计制作
• 1.2.2 控制技术研究
• 1.3 微型扑翼飞行器的发展趋势
• 1.4 课题的研究意义和本文研究的主要内容
• 1.4.1 课题的研究意义
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 第2章 微型扑翼飞行器坐标系的建立
• 2.1 坐标系的定义
• 2.1.1 地面坐标系OXYZ
• 2.1.2 机体坐标系oxyz
• 2.1.3 左翼坐标系o（?）x（?）y（?）z（?）
• rx_ry_rz_r'>2.1.4 右翼坐标系o_rx_ry_rz_r
• 2.2 坐标系之间的转换关系
• 2.2.1 地面坐标系到机体坐标系的转换关系
• 2.2.2 左翼坐标系到机体坐标系的转换关系
• 2.2.3 右翼坐标系到机体坐标系的转换关系
• 2.3 本章小结
• 第3章 微型扑翼飞行器的数学建模
• 3.1 引言
• 3.2 微型扑翼飞行器的空气动力及力矩
• 3.2.1 微型扑翼飞行器的空气动力
• 3.2.2 微型扑翼飞行器翅膀的空气动力矩
• 3.3 微型扑翼飞行器的动力学方程
• 3.3.1 质心动力学方程
• 3.3.2 姿态动力学方程
• 3.4 微型扑翼飞行器的姿态运动学方程
• 3.5 本章小结
• 第4章 微型扑翼飞行器高度控制方法的研究
• 4.1 PID控制
• 4.1.1 PID控制原理
• 4.1.2 PID控制算法的分类
• 4.2 模糊PID控制
• 4.2.1 模糊控制
• 4.2.2 模糊PID控制理论
• 4.3 飞行器高度PID以及模糊PID控制器的仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 微型扑翼飞行器控制系统设计
• 5.1 系统总体方案设计
• 5.1.1 系统方案的设计思想
• 5.1.2 微型扑翼飞行器实验样机
• 5.2 微型扑翼飞行器弹跳起飞控制系统的设计
• 5.2.1 系统的设计方案
• 5.2.2 硬件设计
• 5.2.3 软件设计
• 5.2.4 实验结果
• 5.3 微型扑翼飞行器飞行控制系统的设计
• 5.3.1 系统的设计方案
• 5.3.2 硬件设计
• 5.3.3 飞行器姿态角的解算
• 5.3.4 软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢