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小型四旋翼飞行器实时控制系统研究

作　者: 李航
导　师: 冯林
学　校: 大连理工大学
专　业: 电路与系统
关键词: 四旋翼飞行器 航姿参考系统 数据融合 飞行控制器 动力学模型
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 655次
引　用: 3次
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内容摘要


小型四旋翼飞行器以其简单的机体结构、优越的悬停和低速性能、灵活简便的操控方法等优势开始被越来越多的科研人员和商业机构所重视,并逐渐成为无人飞行器领域新的研究热点。本文以小型四旋翼飞行器的实时控制系统为研究对象,围绕室内环境下的悬停和低速巡航这一设计需求开展研究,以自行搭建的小型四旋翼飞行器为平台,设计制作了小型四旋翼飞行器的实时控制系统。首先,针对小型四旋翼飞行器的独特结构分析其运动方式和工作原理,根据应用需求提出飞行器的功能和性能指标,合理设计机身结构和选配主要部件,完成了实时控制系统的硬件设计。其次,研究了方向余弦矩阵法在小型四旋翼飞行器姿态解算中的应用,采用高效的单位正交化算法对方向余弦矩阵进行校正。根据陀螺仪和加速度传感器、数字罗盘的测量结果在频域上的特点,将陀螺仪解算出的姿态数据与加速度传感器、数字罗盘测量到的姿态数据使用互补滤波器进行姿态融合,有效地提高了姿态测量的精度。再次,对小型四旋翼飞行器进行了受力分析和力矩分析,根据相关的物理规律建立飞行器运动的动力学方程,并对该非线性模型进行了适当的简化。在控制模型的基础上,使用经典的PID算法对位移控制回路和姿态控制回路进行控制,并取得了预期的效果。最后,在实验室环境下搭建了小型四旋翼飞行器的基本测试平台,对航姿参考系统和飞行控制算法的效果进行了实物测试。实验结果表明,本文提出动力学模型和PID控制方法对于小型四旋翼飞行器姿态控制效果较好,对于位置控制仍然需要在今后的研究中加以改进。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 课题的背景及意义  8
  1.2 小型四旋翼飞行器的研究现状  8-11
  1.3 本文工作和组织结构  11-13
2 小型四旋翼飞行器结构和硬件设计  13-24
  2.1 机身结构设计  13-16
    2.1.1 小型四旋翼飞行器结构特点  13-14
    2.1.2 机身总体设计  14-15
    2.1.3 电机和旋翼组合的选取  15-16
  2.2 飞行控制系统的硬件设计  16-24
    2.2.1 控制系统的硬件整体架构  16-18
    2.2.2 AHRS和飞行控制器硬件设计  18-20
    2.2.3 无刷电机调速器的设计  20-24
3 航姿参考系统的设计  24-41
  3.1 载体的姿态表示  24-25
    3.1.1 坐标系的定义  24-25
    3.1.2 姿态角的定义  25
  3.2 方向余弦矩阵  25-32
    3.2.1 方向余弦的物理意义  25-27
    3.2.2 方向余弦矩阵的建立  27-29
    3.2.3 方向余弦矩阵的增量形式  29-31
    3.2.4 捷联矩阵与姿态角  31-32
  3.3 姿态角的求解  32-36
    3.3.1 常用姿态求解算法  32-33
    3.3.2 利用角速度解算姿态矩阵  33-35
    3.3.3 姿态矩阵的单位正交化  35-36
  3.4 多传感器测量姿态的数据融合  36-41
    3.4.1 姿态解算的偏差问题  36-38
    3.4.2 偏航角度的测量  38
    3.4.3 重力加速度的测量  38-39
    3.4.4 互补滤波器用于姿态融合  39-41
4 小型四旋翼飞行器的控制规律研究  41-52
  4.1 运动方式和工作原理  41-43
  4.2 小型四旋翼飞行器的动力学模型  43-47
    4.2.1 受力分析和力矩分析  43-44
    4.2.2 机体的动力学方程  44-47
  4.3 小型四旋翼飞行器的控制算法  47-52
    4.3.1 控制算法结构分析  47-48
    4.3.2 位置控制回路的设计  48-49
    4.3.3 姿态控制回路的设计  49-52
5 小型四旋翼飞行器实时控制系统测试  52-57
  5.1 航姿参考系统的测试  52-53
  5.2 小型四旋翼飞行器的整机测试  53-57
    5.2.1 自由度受限的系留试验  53-55
    5.2.2 六自由度自主飞行试验  55-57
结论  57-59
参考文献  59-61
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  61-62
致谢  62-64

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 飞行控制
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