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一种四旋翼无人机控制系统的设计与实现研究

姜成平  
【摘要】:作为多旋翼飞行器中的一种,四旋翼无人机具有体积小、结构简单、操作灵活、可垂直起降等优点,具有广泛的民用和军用价值。在这一背景下,本文结合中国科学院沈阳自动化研究所开放课题(室内三维位置环境理解与自主控制研究),在总结四旋翼无人机研究现状的基础上,开展了四旋翼无人机系统的设计、制作、调试和实现研究。 首先设计了四旋翼无人机的飞行平台,为航行姿态测量和飞行控制的研究提供了基础。根据四旋翼无人机的飞行原理,利用牛顿力学方法建立了无人机的系统动力学模型,并对模型中的关键参数进行了测量。 整个四旋翼无人机系统由航姿参考系统和飞行控制系统两个核心部分组成。航姿参考系统实时采集各传感器数据并解算无人机载体的姿态、位置、速率信息,为飞行控制系统提供反馈信号。飞行控制系统接收控制指令和航姿参考系统反馈的信息,运行飞行控制算法解算出各个电机的控制指令,并将控制指令转化为PWM信号驱动电机带动螺旋桨转动,最终实现飞行动作。 根据设计方案,选取高性能的STM32系列处理器、MEMS传感器和其他电子器件,开展了大量的软硬件调试和基础功能验证实验,设计和制作的导航电路板和飞控电路板,分别作为航姿参考系统和飞行控制系统的硬件基础。完成硬件设计和实现之后,基于层次化、结构化思想,分别编写了导航电路板和飞控电路板的底层驱动程序、功能模块程序和系统应用程序。 在航姿参考系统中,综合MEMS陀螺仪、加速度计和磁强计的优缺点,对各传感器数据进行前端校正和低通数字滤波处理后,设计了扩展卡尔曼滤波器对无人机姿态进行最优估计,实时为飞行控制系统提供无人机的姿态信息。在飞行控制系统中,根据建立的系统动力学模型,先后设计了无人机的姿态控制器和位置控制器,并在Matlab仿真环境中验证了所设计算法的有效性。 最后,将设计的姿态估计算法和飞行控制算法移植到电路板中,进行实验调试和飞行验证。最终设计出能够准确测量姿态和具有一定鲁棒性的飞行控制系统。


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