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小型四旋翼低空无人飞行器综合设计

作　者: 江斌
导　师: 孙志锋
学　校: 浙江大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: 四旋翼 无人飞行器 飞行控制器 PID控制 PWM电机调速
分类号: V279
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


四旋翼无人飞行器是一种结构紧凑、飞行方式独特的垂直起降式飞行器,因其起飞降落所依赖空间小,及姿态保持能力强等优点,在军事和民用多个领域都有广阔的应用前景。本课题来源于温州市科技计划项目,意在研制出一架小型四旋翼低空无人飞行器样机。课题主要通过利用PID控制方法及无刷直流电机驱动技术,初步研究和设计四旋翼无人飞行器的整体结构与飞行控制系统,并在此基础之上,搭载通信模块,研制出的样机不仅能实现四旋翼飞行器的各种飞行动作,还可进行简单的实时视频监控。本文首先分析四旋翼飞行器的结构特点及工作原理,并结合相关飞行参数,对飞行器样机进行数学建模,构造了飞行器姿态运动及位置运动共六个通道的传递函数,并引入四个控制量,将模型分解成独立的控制通道。采用PID控制方法,对飞行器悬停状态下姿态和位置控制律,进行仿真,验证控制方案的可行性。进而对样机进行整体设计,包括机身总体设计、能源与动力装置设计及起落架设计。为确定升力装置的选型,设计了旋翼拉力测试平台,通过多次试验,得出电机／旋翼的最佳工作区间。重点设计飞行器的硬件电路部分,包括飞行控制器、电机调速模块、RS232通信模块和视频监控模块；飞行控制器基于ATmega644的微处理器,融合了三轴陀螺仪、三轴加速度计、气压高度计,用来获取飞行器的航姿信息,并进行实时解算；视频监控模块采用机载无线图传的方式,地面接收设备实时显示其监控画面。本文软件分为算法实现及上位机界面部分。算法采用C语言进行编写,实现PID控制功能、PWM电机调速及传感器数据校正；上位机软件通过串口对飞行器各参数进行设置,模拟飞行器当前的三维状态,并可实现简单的航点设置。

全文目录


致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章 绪论  11-17
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-15
  1.3 本文的主要内容  15-17
第2章 四旋翼无人飞行器总体设计  17-25
  2.1 设计目标  17
  2.2 系统总体结构  17-18
  2.3 任务分解  18-25
    2.3.1 机体设计  18-22
    2.3.2 建立数学模型  22-23
    2.3.3 飞行控制器设计  23
    2.3.4 导航与通信系统设计  23-25
第3章 四旋翼无人飞行器工作原理及建模  25-39
  3.1 工作原理  25-27
  3.2 数学模型  27-34
    3.2.1 坐标系选择及转换  28-31
    3.2.2 动力学方程的建立  31-34
  3.3 PID控制方法  34-39
    3.3.1 控制律  34
    3.3.2 仿真结果与分析  34-39
第4章 硬件电路设计  39-55
  4.1  39-42
    4.1.1 主控制器  39
    4.1.2 主控芯片  39-41
    4.1.3 供电电路  41-42
  4.2 RS232-USB通信接口  42-43
  4.3 电机控制模块  43-48
    4.3.1 反电势过零检测电路  44-45
    4.3.2 三相全桥驱动电路  45-46
    4.3.3 电流电压检测电路  46-47
    4.3.4 电机隔离电路  47-48
  4.4 传感器模块  48-52
    4.4.1 AHRS模块  48-50
    4.4.2 高度传感器  50-51
    4.4.3 导航与通信模块  51-52
  4.5 硬件制作  52-55
第5章 系统软件设计  55-71
  5.1 导航算法  55-57
    5.1.1 电子罗盘工作原理  55-56
    5.1.2 导航计算  56-57
  5.2 电机调速系统程序设计  57-60
    5.2.1 电机启动程序设计  58
    5.2.2 电机控制程序设计  58-60
    5.2.3 电机保护程序设计  60
  5.3 航姿数据处理程序设计  60-66
    5.3.1 数据采集  60-62
    5.3.2 数据融合  62-66
  5.4 上位机软件设计  66-71
    5.4.1 C#开发工具介绍  66-67
    5.4.2 界面设计  67-71
第6章 系统测试与分析  71-77
  6.1 飞行器实验样机  71
  6.2 参数微调及飞行测试  71-74
    6.2.1 参数微调  71-72
    6.2.2 飞行测试  72-73
    6.2.3 机载相机测试  73-74
  6.3 自主飞行测试  74-76
  6.4 本章小结  76-77
第7章 总结与展望  77-79
  7.1 论文总结  77-78
  7.2 展望  78-79
参考文献  79-83
科研成果  83-84
附录  84

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 各类型航空器 > 无人驾驶飞机
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