小型四旋翼飞行器巡航系统软件设计
小型四旋翼飞行器是一种体积小、结构简单、控制方便的垂直起降式飞行器，广泛地应用于侦查、救援和地理测绘等任务。但四旋翼飞行器为非线性、强耦合欠驱动系统，飞控和巡航系统涉及空气动力学、电机学、自动控制技术等多门学科，一直是该领域的一个研究难点，具有较高的研究价值，因而受到科研工作者的广泛关注。本文针对四旋翼飞行器自主巡航系统的实际需求，设计了飞行器控制器的硬件结构，下位机和上位机软件，初步实现了自主巡航功能，主要完成了以下工作： (1)首先，完成了四旋翼飞行器自主巡航系统总体结构设计。综合考虑了飞行器的导航精度及核心控制板的计算能力后，完成了主控板和辅助传感器的选型，主控芯片为ATMEGA2560，辅助传感器包括MPU6050姿态模块、HMC5883L电子罗盘、ATK-NEO-6M（GPS）、MS5611型气压计。 (2)在完成了整体结构设计后，分析了飞行器的飞行原理，并分力学模型和运动学模型两部分对飞行器进行建模。力学建模主要包括旋翼模型、电机模型和机体模型的建立；运动学建模主要包括角运动模型和线运动模型的建立。通过对四旋翼飞行器系统模型分析，展示了飞行器欠驱动、高耦合的特点。 (3)对飞行器机体做了小角度、低速运动假设后，利用LPV法完成了系统模型的线性化处理，并基于简化后的模型设计了PID-PID双闭环位置控制策略及经典PID定高悬停策略。针对系统对跳变信号反应不灵敏等缺陷，在原有经典PID控制的基础上对定高悬停策略进行了改进，设计了微分跟踪高度控制器，并通过Matlab/Simlink仿真验证了算法的有效性。 (4)完成了姿态检测系统的设计。利用四元数微分方程进行姿态更新，利用多传感器融合技术对姿态进行修正。MPU6050模块可提供原始的三轴加速度信息和三轴角速度信息，HMC5883L可提供原始的磁航向角信息。采用了Mahony互补滤波法完成了俯仰和翻滚姿态角的信息融合，利用修正后的量完成了偏航通道的倾角补偿。 (5)实现了自主巡航功能。GPS模块提供了系统所需要的经、纬度信息，目标位置信息由地面站软件提供，飞行器依据目标和当前位置信息的偏差调整飞行姿态以飞往目标位置。 (6)基于C＃语言编写了四旋翼飞行器上位机软件，PC上位机软件实现了飞行器姿态显示、波形采集、数字地图加载、航点写入等多种功能。在飞行器未试飞前，通过串口将目标航点写入主控板。 (7)完成了地面站测试及飞行器场外实验，并对场外飞行结果进行了分析。地面站各部分功能均已实现，姿态显示控件能及时跟踪飞行器的姿态，波形采集控件能采集飞行器的姿态数据，航点写入模块可为飞行器设置航点路径。通过场外试飞实验验证了飞行器定高悬停及定点飞行控制算法的稳定性。
四旋翼飞行器;自主巡航系统;控制器;硬件结构;软件设计
中国计量大学
硕士
控制工程
李运堂;苏建杰
2016
中文
V279;V249
84
2017-06-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）