四旋翼飞行器的研制及其在移动数据收集实验中的应用

摘要

四旋翼飞行器是近年来一种新兴的能够垂直起降、稳定低速飞行、在空中灵活运动的飞行器。移动数据收集是无线传感器网络领域中很有前景的数据收集方式，能够有效地解决无线传感器网络传统数据收集方式存在的能量瓶颈问题。本文的主要工作是研制了一套四旋翼飞行器平台，并将其应用到无线传感器网络的移动数据收集实验中。本文的主要成果如下:
　　(1)研制了能稳定飞行的四旋翼飞行器。搭建了四旋翼飞行器的各硬件模块，编写了飞行器的飞行控制程序。该控制程序建立在四旋翼飞行器的动力学模型仿真、飞行器姿态解算算法以及PID控制算法的基础之上。本文建立了四旋翼飞行器的动力学模型。并根据互补滤波算法的基本原理与四元数姿态更新算法，设计并实现了飞行器的姿态角和高度的解算算法。在上述基础上，设计了并实现飞行器的PID控制算法，并进行了仿真和实际飞行验证了算法的有效性。
　　(2)利用C＃语言开发了四旋翼飞行器的地面监控软件，实现了机-地的串口通信、飞行数据的显示、地图导航、数据库四种功能。其中，地图导航可以用来辅助操作人员操作飞行器实现航迹的规划、绘制和导航功能;数据库功能用于存储收集到的无线传感器网络数据。
　　(3)基于该飞行器搭建了无线传感器网络移动数据收集实验系统。并进行了场地飞行实验和移动数据收集实验，实验证实了所设计的四旋翼飞行器平台的有效性，也表明该飞行器有潜力作为无线传感器网络的移动数据收集的数据汇聚节点载体平台。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 四旋翼飞行器的研究现状

1．2．2 无线传感器网络移动数据收集的研究现状

1．3 研究内容和文章结构

第二章 四旋翼飞行器与地面监控软件的总体结构

2．1 四旋翼飞行器平台整体介绍

2．2 飞行器硬件的总体结构介绍

2．2．1 主控模块

2．2．2 传感器模块

2．2．3 无线通信模块

2．2．4 动力驱动模块

2．3 飞行控制程序与地面监控软件的结构设计

2．3．1 飞行器控制程序设计

2．3．2 地面监控软件总体结构设计

2．4 本章小结

第三章 四旋翼飞行器动力学模型的建立

3．1 飞行器姿态的描述

3．1．1 飞行器坐标系的定义

3．1．2 坐标系之间的变换关系

3．2 四旋翼飞行器系统建模

3．2．1 四旋翼飞行器系统模型的结构

3．2．2 电机模型的建立

3．2．3 四旋翼飞行器动力学模型的建立

3．2．4 系统仿真模型的建立

3．3 本章小结

第四章 四旋翼飞行器的控制系统的设计与实现

4．1 控制系统整体介绍

4．2 飞行器姿态更新算法

4．2．1 欧拉角法

4．2．2 方向余弦法

4．2．3 四元数法

4．2．4 基于四元数的姿态解算流程

4．3 基于互补滤波的姿态角解算算法的设计与实现

4．3．1 互补滤波算法的原理

4．3．2 基于加速度计和陀螺仪的互补滤波算法设计与实现

4．3．3 姿态角解算算法验证实验

4．4 基于互补滤波的高度解算算法的设计与实现

4．4．1 高度求解原理

4．4．2 互补滤波算法求解高度的具体实现

4．4．3 高度互补滤波算法的实验效果

4．5 飞行器PID控制算法的设计与实现

4．5．1 PID控制算法原理和设计

4．5．2 PID控制算法的Simulink仿真

4．5．3 PID控制算法的实验效果

4．6 本章小结

第五章 基于C#的地面监控软件的实现

5．1 软件开发环境及语言简介

5．2 地面监控系统的基础技术

5．2．1 串口通信

5．2．2 SQLite数据库及ADO．NET数据库访问技术

5．3 串口通信模块

5．4 数据显示模块

5．5 地图导航模块

5．5．1 地图导航模块的功能介绍

5．5．2 地图导航模块的具体实验

5．6 数据库模块

5．6．1 数据库表格式

5．6．2 数据库存储功能的实现

第六章 基于四旋翼飞行器的无线传感器网络数据收集实验

6．1 无线传感器网络及移动数据收集原理介绍

6．1．1 无线传感器网络的基本结构

6．1．2 无线传感器网络在应用中的主要限制

6．1．3 无线传患叠网络移动数据收集原理

6．2 无线传感器网络移动数据收集实验

6．2．1 移动数据收集实验平台的搭建

6．2．2 飞行器场地飞行实验

6．2．3 移动数据收集实验

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介