基于多传感器融合的小型无人机飞行控制系统研究

摘要

小型直升机是一个具有静不稳定、非线性、多变量、强耦合的复杂被控对象。较固定翼飞机而言，它具有悬停等灵活、机动的飞行性能。因此，在军事和民用方面的需求日益增多。进行小型无人直升机飞行控制系统的研究和研制具有广泛的应用前景和极其重要的现实意义。 本文首先综述了目前小型无人直升机及其飞行控制系统的研究现状，结合现代导航技术发展的特点，详细阐述了飞行控制系统硬件设计的主要思想。经过分析研究和选型，设计了以DSP为硬件核心的飞行控制系统的总体方案和硬件电路，包括系统传感器数据采集电路、伺服电机控制电路、电源电路等硬件功能模块，构建了一个结构紧凑、功耗低、可扩展性强、低成本的小型无人机飞行控制系统硬件平台。在此基础上，重点对飞行控制系统的关键部分导航系统进行了深入的分析，提出并实现了一种应用扩展Kalman滤波算法实现多传感器信息融合的导航方法，为飞行控制提供准确而稳定的直升机姿态、速度和位置信息。最后，分别对硬件平台的每个功能模块的软件实现进行论述，给出了部分程序流程图。 研究表明，基于 DSP 设计的小型无人机飞行控制系统，可以有效地提高导航系统的精度和速度，减小系统的体积，功耗和成本，使系统具备更好的应用价值，市场前景和军事意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景及意义

1.2国内外的研究现状

1.3课题的主要研究内容

第二章无人机的结构及数学模型

2.1小型直升机系统

2.1.1主旋翼操作机构

2.1.2尾浆旋翼操作机构

2.1.3发动机

2.2小型直升机的数学建模

2.2.1直升机建模概述

2.2.2小型直升机的特点

2.2.3小型直升机的数学模型

2.3飞行控制系统介绍

2.4小结

第三章飞行控制系统的硬件设计

3.1直升机系统

3.1.1机身与发动机

3.1.2伺服驱动电机

3.2遥控器

3.3惯性测量单元IMU

3.3.1传感器元件

3.3.2传感器信号调理

3.4电子罗盘

3.5 GPS系统

3.6主控计算机

3.6.1中央处理器

3.6.2传感器信号采集电路

3.6.3伺服驱动电路

3.6.4系统电源电路

3.7小结

第四章基于多传感器融合的无人直升机导航

4.1惯性导航系统INS

4.1.1惯性导航系统的分类

4.1.2由惯性导航表示的姿态角

4.1.3由惯性导航表示的速度和位置

4.2 GPS导航系统

4.2.1 GPS定位的工作原理及误差

4.2.2差分GPS(DGPS)技术消除公共误差原理

4.3基于多传感器的数据融合的导航系统

4.3.1多传感器的数据融合的必要性

4.3.2多传感器数据融合概述

4.3.3数据融合的结构

4.4基于扩展卡尔曼滤波EKF的导航系统

4.4.1扩展Kalman滤波(EKF)算法

4.4.2惯性测量单元(IMU)的数学模型

4.4.3扩展Kalman滤波在导航系统中的应用

4.5小结

第五章飞行控制系统软件设计

5.1开发工具和环境介绍

5.2传感器数据采集

5.2.1惯性测量单元IMU数据采集

5.2.2电子罗盘数据采集

5.3多传感器的数据融合

5.4伺服电机驱动

5.5小结

总结和展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢