倾转翼无人机飞控系统研究

摘要

倾转翼无人机作为一款新型飞行器，不但能够实现垂直起降的功能，还拥有了固定翼快速巡航的优势，同时把二者的长处集于一身，是目前研究的热门机型。其飞行状态主要分为三部分：直升机飞行模态、固定翼飞行模态以及过渡段飞行模态，其中最为特殊的就是过渡段飞行，随着倾转翼及固定在其上的动力装置倾转，各个变量都在不断变化，实现无人机的平稳过渡以及相连模态之间的转换非常困难。目前没有现成的控制器可供参考，研究倾转翼无人机的飞行控制器至关重要。 倾转翼无人机是典型的多输入-多输出-多信息耦合的代表，在飞控系统的设计中不仅是直升机模式和固定翼模式的简单叠加。飞控系统作为倾转翼无人机设计的核心，需要满足高度集成性、广泛扩展性和快速实时反应的要求。本文针对倾转翼无人机飞控硬件系统设计问题展开研究工作，完成飞控系统总方案设计、传感器与芯片选择以及硬件电路原理图设计、PCB的绘制、模块化软件设计和编程以及姿态算法设计，最后对飞控硬件平台进行测试和仿真，已验证其可否满足设计之初的要求。 首先，根据倾转翼无人机设计要求，研究无人机飞控系统总体设计预案，阐述倾转翼无人机飞行原理和飞行要求，按照飞控系统设计需求完成硬件平台方案设计。 针对无人机飞控硬件系统平台以及各个软件模块进行详细设计研究。将硬件平台按模块划分为主控单元、传感器单元、电源管理单元、无线数传单元、扩展端口单元和执行机构信号传输单元，针对不同模块来进行分层原理图设计。接下来根据模块化思路来进行软件驱动程序编译。 之后，对倾转翼无人机进行姿态控制算法设计及多个传感器数据融合分析。针对三种姿态控制算法进行对比，论述基于四元数的姿态控制算法，并且设计完成基于卡尔曼滤波算法。完成多个传感器采集数据融合，完成对无人机姿态偏差参量分析与计算并对姿态偏差量进行校正处理。 最终，对所设计的倾转翼无人机飞控硬件平台完成系统半实物仿真测试。以便对飞控系统硬件进行在线评估测试，完成对无人机的姿态控制测试，仿真测试结果表明，本文设计的飞控系统硬件部分能够满足系统设计要求。

目录

第1章 绪论

1.1 研究的背景和目的

1.2 国内外无人机飞控系统研究现状

1.3 论文的主要工作任务

第2章 倾转翼飞控系统方案设计

2.1 倾转翼无人机飞行原理

2.2 飞行控制系统设计要求

2.3 倾转翼飞控输入-输出信号确立

2.4 倾转翼飞控系统总体方案

2.5 本章小结

第3章 倾转翼无人机飞控系统硬件设计

3.1 主控单元模块设计

3.2 传感器模块设计

3.3 电源管理模块设计

3.4 扩展端口模块设计

3.5 无线数传模块

3.6 执行机构信号传输模块

3.7 飞控PCB板设计

3.8 本章小结

第4章 姿态控制算法设计及多传感器数据融合分析

4.1 倾转翼无人机的姿态表示与转换

4.2 倾转翼无人机姿态控制算法设计

4.3 滤波算法设计

4.4 姿态控制器设计

4.5 多传感器之间数据融合

4.6 本章小结

第5章 倾转翼飞控软件编程及仿真测试

5.1 飞控系统软件外部接口

5.2 飞控系统软件设计方案

5.3 飞控软件运行流程

5.4 软件开发环境

5.5 传感器数据采集

5.6 飞控系统测试结果分析

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

附录

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