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多传感器融合的四旋翼飞行器关键技术研究

刘方滔  
【摘要】:四旋翼飞行器(Quad-Rotor)属于一种新兴的旋翼式无人飞行器(UAV)概念,与常见的主旋翼加尾桨直升机以及共轴双桨直升机有较大的区别。四旋翼飞行器具有分布在圆周上的四个旋翼,控制时仅需调节四个旋翼的转速即可控制飞行器的飞行姿态和飞行速度,而不需要复杂的变桨矩控制。由于省却了机械控制部件,从而实现了电传操纵,增强了系统的稳定性和易操作性。另外,四旋翼飞行器还可实现其他飞机无法实现的定点全向运动,特别适合在低空领域执行侦察、监视、中继通信等任务,具有较高的研究和应用价值。 本文针对四旋翼飞行器进行了初步的研究和设计。首先,介绍了目前国内外对四旋翼飞行器的研究状况和本课题的主要研究内容。其次从理论上对四旋翼飞行器空气动力学和运动学模型做了初步探讨,并将经典的PID控制算法应用到机体负反馈自平衡系统中。接着重点对整个四旋翼飞行器的原型实验样机进行了设计制作,包括总体框架设计,控制系统软件设计、硬件设计制作以及最后的飞行器调试与试飞验证,最后对本项目做了简要的总结和展望。 本飞行器飞行控制平台采用ATMega128系列单片机进行控制,软件全部用C语言编程实现。整个控制系统包括电源模块、告警和指示模块、多传感器融合模块、在线调试模块、无线遥控模块、电机驱动模块及主控制模块等,其中多传感器融合模块为整个系统的核心,包括航姿参考系统(AHRS).气压高度计、超声波测距仪和GPS全球定位系统四个子模块。本控制系统的实现为进一步研究四旋翼飞行器,实现自主控制奠定了基础。


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