小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计

摘要

飞艇是一种轻于空气的浮空飞行器，具有留空时间长、安全性能好、环境污染少、能耗低、载重量大、飞行平稳、起降场地要求简单等特点。无人自主飞艇具有很高的自主性和巨大的市场潜力，而且特别适合作为信息收集的平台用以研究、环境监测、通信中继和导航等等，在很多领域都有着广泛的应用。 本文以无人飞艇为研究对象，在综合了解和比较了国内外的研究状况之后，建立了小型无人飞艇的数学模型并进行了控制律的仿真，在此基础上对飞行控制系统进行了硬件和软件的设计。 首先针对本文所使用的小型飞艇模型进行力学分析，从动力学和运动学两个方面分析飞艇的力学特性，最后整理得出飞艇的运动方程，并建立飞艇的六自由度数学模型。利用小扰动的方法将非线性的数学模型线性化，根据线性化方程特点将飞艇运动分为横向运动方程和纵向运动方程。 其次对飞行控制系统进行总体设计方案，在此基础上设计并完成了以MSP430F449为核心，包括数据采集模块、驱动模块、无线通讯模块、GPS模块等在内的硬件电路设计。软件设计采用模块化设计方法，按功能将系统划分为各个子模块，并对每个模块软件流程行了总体设计。 采用了特征建模的方法，对所建立的数学模型进行了辨识，验证了数学模型的正确性。采用PID和专家PID两种控制器设计飞艇俯仰和偏航两种姿态的控制律，并对两种方法进行分析比较。 最后对飞行控制系统进行了PCB设计制成了实验电路板，完成了部分功能的调试。还利用MATLAB进行了控制律的仿真，最后验证了该飞行控制系统方案的可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的背景和意义

1.1.1飞艇发展历史与优势

1.1.2无人飞艇特点与应用

1.2国内外研究现状

1.2.1国外飞艇发展现状

1.2.2国内飞艇发展现状

1.3飞艇发展趋势

1.4本文主要工作安排

2飞行控制系统总体方案设计

2.1飞艇简介

2.1.1飞艇结构

2.1.2飞艇实物模型

2.1.3飞艇飞行原理

2.2飞行控制系统总体设计

2.2.1需求分析

2.2.2控制系统总体结构设计

2.2.3控制系统设计过程

2.3本章小结

3无人飞艇数学模型的建立

3.1飞艇的运动特性

3.1.1坐标描述

3.1.2飞艇的受力分析

3.2动力学方程的建立

3.2.1重力与浮力

3.2.2推力

3.2.3空气动力

3.2.4流体惯性力

3.2.5动力学方程

3.3运动学方程的建立

3.3.1质心运动方程

3.3.2姿态运动方程

3.3.3运动学方程

3.4飞艇运动方程的线性化

3.4.1小扰动法

3.4.2飞艇横向运动方程

3.4.3飞艇纵向运动方程

3.5本章小结

4飞行控制系统硬件设计

4.1硬件选型

4.1.1飞行控制计算机选型

4.1.2传感器选型

4.1.3 A/D转换芯片选型

4.1.4无线通信

4.1.5执行机构

4.1.6 GPS

4.1.7数字罗盘

4.2飞行控制系统电路设计

4.2.1电源电路设计

4.2.2气压式高度计电路设计

4.2.3空速计电路设计

4.2.4角速率陀螺电路设计

4.2.5加速度计电路设计

4.2.6 A/D电路设计

4.2.7飞行控制电路设计

4.2.8 HMR3300数字罗盘和GPS接口设计

4.2.9无线通信电路设计

4.3本章小结

5飞行控制系统软件设计方案

5.1传感器数据采集模块

5.1.1模拟量

5.1.2数字量

5.2 MR3300数字罗盘数据采集

5.2.1通信协议

5.2.2指令格式

5.2.3程序初始化

5.2.4数据的处理

5.3 GPS数据采集模块

5.3.1数据格式

5.3.2 UART接口

5.3.3程序初始化

5.3.4数据的接收

5.4无线通信模块

5.4.1通信协议

5.4.2 Shock Burst工作模式

5.4.3 SPI接口

5.4.4单片机与nRF905接口电路

5.4.5数据发送过程

5.4.6数据接收过程

5.5驱动模块

5.6控制模块

5.7本章小结

6无人飞艇的特征模型辨识和控制律设计

6.1飞艇的特征建模

6.1.1特征建模定义

6.1.2特征模型辨识方法

6.1.3飞艇特征模型辨识

6.2飞艇姿态控制

6.2.1飞艇俯仰姿态控制

6.2.2飞艇偏航姿态控制

6.3飞艇控制律设计

6.3.1常规PID控制器

6.3.2专家PID控制器及其算法

6.3.3系统响应曲线的分析比较

6.4本章小结

总结与展望

致 谢

参考文献

附 录