本文關(guān)鍵詞：四旋翼無人機載云臺的建模與控制研究

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【摘要】：隨著無人機自動駕駛儀集成化程度的提高和傳感器檢測精度的提高,無人機(UAV)在民用、工業(yè)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。其中,機載平臺穩(wěn)定控制的研究是低空拍攝、海上監(jiān)測等低空遙感技術(shù)中重要的組成部分。云臺技術(shù)廣泛應(yīng)用在機載觀測系統(tǒng)、彈載導(dǎo)引系統(tǒng)等軍用領(lǐng)域以及一些航空測繪、森林火災(zāi)監(jiān)測等民用領(lǐng)域,對我國經(jīng)濟和軍事的發(fā)展有著重要作用。本課題以小型四旋翼無人機為載體,使用GoPro運動相機作為航拍負載相機,使用直流無刷電機作為云臺框架的伺服電機,進行云臺控制的研究。本課題首先對航拍云臺系統(tǒng)進行了規(guī)劃設(shè)計,選用正弦PWM控制的方法控制云臺直流無刷電機,對云臺的控制系統(tǒng)進行了設(shè)計;然后根據(jù)云臺的框架結(jié)構(gòu)、運動學(xué)方程解算出框架軸隔離機體運動干擾的方程,并結(jié)合直流電機的機電原理和本課題云臺電機的參數(shù)推導(dǎo)出了云臺控制環(huán)節(jié)的精確模型;通過對控制模型的仿真分析,對穩(wěn)定環(huán)節(jié)進行PID串聯(lián)校正,并用改進的遺傳算法對PID參數(shù)進行尋優(yōu),通過MATLAB仿真驗證了遺傳算法優(yōu)化的PID參數(shù)使系統(tǒng)無超調(diào),調(diào)節(jié)時間更短;然后把設(shè)計的控制算法寫入到云臺主控制板BruGi中,并對云臺主控制板的軟件和硬件進行了改進;搭建了云臺實時調(diào)試系統(tǒng),利用上位機對云臺控制器的穩(wěn)定性進行了驗證,結(jié)果證明了采用遺傳算法進行PID參數(shù)調(diào)節(jié)的優(yōu)越性,以及自主編寫的控制程序的可行性和可靠性。
【關(guān)鍵詞】：BruGi 兩軸云臺 控制模型 遺傳算法 PID
【學(xué)位授予單位】：沈陽航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V275.1;V249.1
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-18
• 1.1 本課題選題背景及意義12
• 1.2 國內(nèi)外高穩(wěn)定性云臺的研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 國內(nèi)外云臺控制器的研究現(xiàn)狀及分析12-13
• 1.2.2 國內(nèi)外穩(wěn)定云臺應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀13-14
• 1.2.3 機載云臺控制研究現(xiàn)狀及分析14-15
• 1.2.4 遺傳算法的發(fā)展及其概述15
• 1.3 論文的主要研究內(nèi)容及其結(jié)構(gòu)15-18
• 第2章 航拍云臺系統(tǒng)總體設(shè)計18-25
• 2.1 航拍系統(tǒng)組成及其工作原理18-22
• 2.1.1 云臺框架結(jié)構(gòu)19-20
• 2.1.2 TL68A00直流無刷電機20
• 2.1.3 云臺控制器BruGi V3.020-21
• 2.1.4 云臺傳感器MPU605021
• 2.1.5 RC接收機與遙控器21-22
• 2.2 直流無刷電機的控制設(shè)計22-24
• 2.2.1 直流無刷電機的正弦波控制23-24
• 2.3 本章小結(jié)24-25
• 第3章 兩軸云臺數(shù)學(xué)模型的建立25-35
• 3.1 云臺系統(tǒng)建模假設(shè)條件25
• 3.2 兩軸云臺結(jié)構(gòu)簡介25-26
• 3.3 云臺坐標系建立26-30
• 3.3.1 云臺框架概念定義26
• 3.3.2 坐標系建立26-28
• 3.3.3 各框軸間的坐標變換28-30
• 3.4 直流電機以及負載框架數(shù)學(xué)模型建立30-33
• 3.4.1 直流電動機的電流環(huán)模型31-32
• 3.4.2 無刷直流電機PWM功率放大32-33
• 3.4.3 陀螺儀33
• 3.5 穩(wěn)定云臺控制回路模型33-34
• 3.6 框架軸的主要干擾分析34
• 3.7 本章小結(jié)34-35
• 第4章 云臺控制器的設(shè)計35-51
• 4.1 云臺穩(wěn)定控制設(shè)計35-38
• 4.1.1 穩(wěn)定模型分析35-36
• 4.1.2 云臺穩(wěn)定回路參數(shù)計算選取36-38
• 4.2 兩軸云臺穩(wěn)定性能指標38-39
• 4.3 未校正穩(wěn)定環(huán)的分析39
• 4.4 經(jīng)典PID控制與數(shù)字PID控制算法39-42
• 4.4.1 經(jīng)典PID算法40-41
• 4.4.2 數(shù)字PID控制算法41-42
• 4.5 PID控制器參數(shù)的選擇42-47
• 4.5.1 遺傳算法流程42-43
• 4.5.2 遺傳算法改善43-44
• 4.5.3 遺傳算法PID參數(shù)尋優(yōu)過程44-47
• 4.6 基于改進遺傳算法的PID控制優(yōu)化實現(xiàn)47-50
• 4.6.1 控制系統(tǒng)仿真和參數(shù)的尋優(yōu)47-50
• 4.7 本章小結(jié)50-51
• 第5章 云臺控制系統(tǒng)Gimbal Controller硬件簡介51-60
• 5.1 Gimbal Controller概述51
• 5.2 Gimbal Controller硬件設(shè)計51-56
• 5.2.1 Gimbal Controller實物結(jié)構(gòu)51-53
• 5.2.2 BURGI V3的原理圖設(shè)計53-56
• 5.3 BURGI V3硬件配置及傳感器56-57
• 5.3.1 BURGI V3的配置連接56
• 5.3.2 MPU605056-57
• 5.4 BURGI V3軟件開發(fā)環(huán)境57-59
• 5.4.1 BURGI V3上位機軟件介紹57-58
• 5.4.2 Arduino58-59
• 5.4.3 Atmel Studio 6.259
• 5.5 本章小結(jié)59-60
• 第6章 BruGi云臺控制板的系統(tǒng)軟件硬件改進設(shè)計60-65
• 6.1 BruGi軟件的改進及解析60-63
• 6.2 BRUGI的硬件改進63-64
• 6.2.1 BRUGI的防電源反接電路優(yōu)化63-64
• 6.3 本章小結(jié)64-65
• 第7章 云臺控制系統(tǒng)的調(diào)試驗證65-69
• 7.1 云臺調(diào)試系統(tǒng)的搭建65-66
• 7.1.1 建立上位機連接配置65-66
• 7.2 云臺實時調(diào)試穩(wěn)定分析66-67
• 7.3 實際航拍實驗67-68
• 7.4 本章小結(jié)68-69
• 結(jié)論69-71
• 附錄Ⅰ PID控制程序71-73
• 附錄Ⅱ CRC校驗程序73-76
• 參考 文獻76-78
• 致謝78-79
• 攻讀碩士期間發(fā)表(含錄用)的學(xué)術(shù)論文79

【參考文獻】

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本文編號：1092703