固定翼无人机飞行姿态控制律设计

摘要

随着科学技术的进步，无人机在人类生活中起着越来越重要的作用。本文从工程应用方面出发，结合国内外相关领域的研究成果，对固定翼无人机飞行姿态控制律问题展开研究。
　　首先，在明确本文设计要求的前提下，以天行者1680航模固定翼无人机为平台，对无人机飞控系统整体方案进行设计。系统包括两大部分:姿态检测部分和控制部分。分别对每个部分所涉及的硬件进行选型，并完成电路板制作。在硬件设计工作完成后，进行系统软件设计。
　　其次，由于无人机在执行飞行任务时有诸多的变量，为了便于研究，对几种常用的坐标系进行分析，其中包括机体坐标系、地面坐标系、气流坐标系和航迹坐标系等，进而确定无人机在其坐标系下的姿态角以及其表达形式。为后续章节的工作奠定一定的基础。
　　然后，在明确控制律的设计目标、PID方法的前提下，展开无人机姿态控制律的设计工作，本文将其分为三个部分展开，包括纵向、横侧向通道和速度通道。纵向通道包括俯仰角和飞行高度通道，横侧向通道包括滚转角和航向角通道。设计每个通道的控制方法，绘出控制结构图，确定控制律的最终表达形式。之后分别对其进行Simulink仿真，得到每个变量的仿真结果曲线和具体参数表。为飞行试飞提供一定的理论依据和保障，提高试飞的成功率。
　　最后，在试飞条件较好的情况下，对所设计系统的实际应用效果进行试飞调试，通过遥控器遥控无人机飞行，并观察地面站界面显示的状态信息。试验结果表明，本文提出的方法实现了飞行姿态的稳定控制，提高了无人机执行任务时的精确性，达到了“863”课题“微小型无人机遥感信息获取与作物养分管理技术”对飞控实现较高飞行稳定性的要求。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本章小结

2 系统整体方案设计

2．1 姿态控制系统试验平台

2．2 系统设计要求

2．3 系统整体方案设计

2．4 硬件选型

2．4．1 GPS

2．4．2 磁传感器

2．4．3 陀螺仪

2．4．4 加速度计

2．4．5 单片机

2．5 舵机驱动系统

2．6 电路设计

2．7 系统软件设计

2．7．1 软件设计任务

2．7．2 软件设计流程

2．8 本章小结

3 固定翼无人机坐标系

3．1 常用坐标系

3．2 坐标系之间的转换

3．3 主要运动参数

3．4 动力学方程

3．5 本章小结

4 姿态控制律设计

4．1 PID控制算法

4．2 纵向控制律设计

4．2．1 俯仰通道控制律设计

4．2．2 俯仰通道仿真

4．2．3 飞行高度控制律设计

4．2．4 高度回路仿真

4．3 横侧向控制律设计

4．3．1 滚转通道控制律设计

4．3．2 滚转通道仿真

4．3．3 航向通道控制律设计

4．3．4 航向通道仿真

4．4 速度控制律设计

4．5 本章小结

5 试飞调试

5．1 试飞准备

5．2 试飞内容及结果

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文