本文關(guān)鍵詞：小型四旋翼飛行器巡航系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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【摘要】：小型四旋翼飛行器是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便的垂直起降式飛行器,廣泛地應(yīng)用于偵查、救援和地理測繪等任務(wù)。但四旋翼飛行器為非線性、強(qiáng)耦合欠驅(qū)動系統(tǒng),飛控和巡航系統(tǒng)涉及空氣動力學(xué)、電機(jī)學(xué)、自動控制技術(shù)等多門學(xué)科,一直是該領(lǐng)域的一個研究難點(diǎn),具有較高的研究價(jià)值,因而受到科研工作者的廣泛關(guān)注。本文針對四旋翼飛行器自主巡航系統(tǒng)的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了飛行器控制器的硬件結(jié)構(gòu),下位機(jī)和上位機(jī)軟件,初步實(shí)現(xiàn)了自主巡航功能,主要完成了以下工作:(1)首先,完成了四旋翼飛行器自主巡航系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜合考慮了飛行器的導(dǎo)航精度及核心控制板的計(jì)算能力后,完成了主控板和輔助傳感器的選型,主控芯片為ATMEGA2560,輔助傳感器包括MPU6050姿態(tài)模塊、HMC5883L電子羅盤、ATK-NEO-6M(GPS)、MS5611型氣壓計(jì)。(2)在完成了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,分析了飛行器的飛行原理,并分力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型兩部分對飛行器進(jìn)行建模。力學(xué)建模主要包括旋翼模型、電機(jī)模型和機(jī)體模型的建立;運(yùn)動學(xué)建模主要包括角運(yùn)動模型和線運(yùn)動模型的建立。通過對四旋翼飛行器系統(tǒng)模型分析,展示了飛行器欠驅(qū)動、高耦合的特點(diǎn)。(3)對飛行器機(jī)體做了小角度、低速運(yùn)動假設(shè)后,利用LPV法完成了系統(tǒng)模型的線性化處理,并基于簡化后的模型設(shè)計(jì)了PID-PID雙閉環(huán)位置控制策略及經(jīng)典PID定高懸停策略。針對系統(tǒng)對跳變信號反應(yīng)不靈敏等缺陷,在原有經(jīng)典PID控制的基礎(chǔ)上對定高懸停策略進(jìn)行了改進(jìn),設(shè)計(jì)了微分跟蹤高度控制器,并通過Matlab/Simlink仿真驗(yàn)證了算法的有效性。(4)完成了姿態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。利用四元數(shù)微分方程進(jìn)行姿態(tài)更新,利用多傳感器融合技術(shù)對姿態(tài)進(jìn)行修正。MPU6050模塊可提供原始的三軸加速度信息和三軸角速度信息,HMC5883L可提供原始的磁航向角信息。采用了Mahony互補(bǔ)濾波法完成了俯仰和翻滾姿態(tài)角的信息融合,利用修正后的量完成了偏航通道的傾角補(bǔ)償。(5)實(shí)現(xiàn)了自主巡航功能。GPS模塊提供了系統(tǒng)所需要的經(jīng)、緯度信息,目標(biāo)位置信息由地面站軟件提供,飛行器依據(jù)目標(biāo)和當(dāng)前位置信息的偏差調(diào)整飛行姿態(tài)以飛往目標(biāo)位置。(6)基于C#語言編寫了四旋翼飛行器上位機(jī)軟件,PC上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了飛行器姿態(tài)顯示、波形采集、數(shù)字地圖加載、航點(diǎn)寫入等多種功能。在飛行器未試飛前,通過串口將目標(biāo)航點(diǎn)寫入主控板。(7)完成了地面站測試及飛行器場外實(shí)驗(yàn),并對場外飛行結(jié)果進(jìn)行了分析。地面站各部分功能均已實(shí)現(xiàn),姿態(tài)顯示控件能及時(shí)跟蹤飛行器的姿態(tài),波形采集控件能采集飛行器的姿態(tài)數(shù)據(jù),航點(diǎn)寫入模塊可為飛行器設(shè)置航點(diǎn)路徑。通過場外試飛實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了飛行器定高懸停及定點(diǎn)飛行控制算法的穩(wěn)定性。
【學(xué)位授予單位】：中國計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V249;TP311.52

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8 鄧寅U，

本文編號：1249723