基于NI myRIO的四旋翼飞行器设计与实现

摘要

四旋翼飞行器是无人机的一种，具有结构简单、机动性强、操作灵活、可垂直起降等优点，具有广阔的应用价值，引起了商业和科学研究的极大兴趣，获得了越来越多的关注。由于四旋翼飞行器也是一个欠驱动强耦合的非线性系统，实现对其平稳飞行控制具有一定的难度。目前，四旋翼飞行器已经被广泛的应用于航拍、实时监控、森林防火、救援等方面。本文选取四旋翼飞行器为研究对象和平台，借助于NI myRIO控制器及虚拟仪器技术，开展了四旋翼飞行器系统的设计、制作、调试和实现的探索性研究。
　　首先，通过对四旋翼飞行器飞行原理及其整个控制系统功能要求的分析，制定了以NI myRIO控制器为核心的四旋翼飞行器系统设计方案。详细介绍了NI myRIO控制器的架构和LabVIEW开发环境。同时也介绍了设计中使用到的其他硬件的选型，如无刷直流电机、电子调速器、姿态检测模块等。自主搭建了一个四旋翼飞行器实验平台，为本文的后续研究奠定基础。
　　其次，针对获取四旋翼飞行器实时飞行姿态信息的问题，介绍了四元数和卡尔曼滤波等相关知识，设计了基于四元数的卡尔曼滤波融合算法，给出该算法的推导和工作流程，借助NI myRIO和相应的惯性导航模块对设计的姿态融合算法在图形化编程语言LabVIEW软件中进行编码实现，完成了四旋翼飞行器姿态数据的获取和姿态曲线的显示，验证了算法的有效性。
　　然后，对飞行控制系统进行设计。采用了双闭环PID控制算法对四旋翼飞行器的俯仰角、滚转角和偏航角进行控制。针对飞行高度的控制只采用PID控制算法。在LabVIEW软件中编写了相应控制算法的代码实现，并利用建好的数学模型进行了姿态角和高度的控制仿真，通过仿真结果验证控制算法的可行性。
　　最后，将完成的代码下载到NI myRIO中，进行实际飞行测试实验，通过相关参数的调整，实现了四旋翼飞行器的平稳飞行。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作及章节安排

第二章 四旋翼飞行器系统设计

2．1 引言

2．2 四旋翼飞行器飞行原理

2．3 四旋翼飞行器系统设计

2．3．1 四旋翼飞行器系统结构

2．3．2 NI myRIO系统架构介绍

2．2．3 LabVIEW开发环境介绍

2．3．4 硬件选型

2．4 本章小结

第三章 四旋翼飞行器姿态估计

3．1 引言

3．2 基于四元数的姿态表示

3．3 基于四元数卡尔曼滤波器的姿态估计

3．3．1 卡尔曼滤波器介绍

3．3．2 基于四元数卡尔曼滤波算法设计

3．4 基于四元数的卡尔曼滤波器姿态估计的实现与验证

3．4．1 基于四元数卡尔曼滤波器姿态估计实现

3．4．2 基于四元数卡尔曼滤波器姿态估计实验验证

3．5 本章小结

第四章 四旋翼飞行器控制系统设计与姿态控制仿真

4．1 四旋翼飞行器系统数学模型

4．2 四旋翼飞行器飞行姿态控制设计

4．2．1 PID控制原理

4．2．2 飞行姿态角稳定控制设计

4．2．3 飞行高度稳定控制设计

4．3 四旋翼飞行器控制系统软件设计

4．3．1 软件总体设计

4．3．2 遥控信号的接收与解码

4．3．3 电池电压监测程序设计

4．3．4 飞行姿态控制程序设计

4．4 四旋翼飞行器飞行姿态控制仿真

4．4 本章小结

第五章 四旋翼飞行器系统调试与飞行试验

5．1 系统调试

5．1．1 硬件系统调试

5．1．2 控制器参数整定

5．2 飞行试验

5．3 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢