【摘要】：四旋翼無人機由于其廣泛的應(yīng)用前景,已經(jīng)成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點。四旋翼無人機穩(wěn)定安全飛行的關(guān)鍵是飛行控制器(簡稱飛控)。目前,市面上已經(jīng)出現(xiàn)了很多安全可靠的開源和閉源飛控。閉源飛控穩(wěn)定性高、可靠性強,但是無法拿到傳感器的原始數(shù)據(jù)以及底層的控制權(quán),無法改變底層的控制邏輯,限制了自主開發(fā)和應(yīng)用能力。開源飛控性能非常強大,但是源碼架構(gòu)龐大,冗余部分過多,不利于調(diào)試和進一步開發(fā)。考慮到開源和閉源飛控均無法滿足進一步開發(fā)和工程應(yīng)用的需求,因此我們擬開發(fā)一款飛控,從而能夠根據(jù)需求定制自己的飛行控制系統(tǒng)。本課題為該項飛控開發(fā)的先行工作,主要解決傳感器特性和配置方案分析、狀態(tài)估計、仿真平臺搭建、軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計以及硬件選型和嵌入式實現(xiàn)設(shè)計等工作。論文的主要工作如下:首先,建立了所需要用到的坐標(biāo)系并給出了坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,建立了四旋翼無人機的運動學(xué)和動力學(xué)的數(shù)學(xué)模型,作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。其次,建立了加速度計、陀螺儀和磁力計、超聲波測距儀和氣壓計等姿態(tài)傳感器和高度傳感器的測量模型和誤差模型,給出了傳感器靜態(tài)誤差的校正方案,并設(shè)計實驗說明校正方法的可行性。然后,給出了四旋翼無人機狀態(tài)估計問題的描述,推導(dǎo)了基于Cramer-Rao下界的姿態(tài)和高度估計誤差下界表達式,并對所選擇的傳感器配置方案進行了分析,針對姿態(tài)估計問題給出了基于Mahony互補濾波和EKF的估計算法,針對高度估計問題給出了基于AKF的估計算法,針對室內(nèi)無GPS環(huán)境下的位置估計問題給出了基于地面標(biāo)志與慣性元件信息融合的位置估計算法。最后,給出了擬開發(fā)的飛行控制系統(tǒng)軟件和硬件架構(gòu)設(shè)計,搭建了包括模型、控制分配、控制算法等模塊的整套系統(tǒng)仿真平臺作為開發(fā)和調(diào)試工具。設(shè)計了相關(guān)實驗驗證了狀態(tài)估計算法的可行性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V279;V249.1

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