一种微小型四旋翼飞行器控制系统的设计与开发

摘要

四旋翼飞行器作为旋翼式直升机的一种，在20世纪之初就有相关的研究存在，当时是以大型实用的直升机作为目标进行研制的。近些年来，随着新型材料、微机电、微惯导技术和飞行控制方法的发展，人们逐渐形成了对一类微小型四旋翼飞行器的研究热潮。微小型四旋翼飞行器在军事与民用方面都有着十分广阔的应用前景，军事上主要用于敌情侦察、电子干扰与中继通信;民用上主要用于监控巡逻、探索搜救与航拍摄影。
　　本文针对微小型四旋翼飞行器，设计与开发一个完整的控制系统，包括对系统的控制方法研究、软硬件设计与开发，以及实现对近地面环境下的姿态控制与高度控制。
　　首先，从理论上进行系统控制方法的研究。具体通过对飞行器的运动学和动力学分析，建立飞行器的动力学模型，再根据该动力学模型推导出状态方程。分析系统模型，采用双闭环控制系统结构，分别基于PID和积分型Backstepping方法进行姿态与位置控制器设计;
　　接着，根据设计目标，对控制系统进行软硬件平台的设计。为满足高运动控制要求，选择X86+AVR单片机的嵌入式控制平台。在硬件平台上提出三层机载控制的结构，完成对电源、接口扩展板、控制输入输出模块、I2C总线通信、IMU惯性测量单元等相关模块的设计;在软件平台上对相关传感器的驱动、控制方法的实现以及控制器间通信等进行程序编程及程序调试;
　　然后，对微小型四旋翼飞行器进行相关的实验研究。分别从仿真与实际实验的角度对比了PID与积分型Backstepping方法的控制效果。从实验的结果来看，积分型Backstepping控制方法在系统超调、系统稳定与鲁棒性方面均优于PID的控制方法。
　　最后对本文的研究内容进行总结，并对可进一步开展的研究工作做出展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关研究工作综述

1．2．1 研究历史与现状

1．2．2 研究关键技术与发展前景

1．3 主要研究工作与内容安排

第2章 微小型四旋翼飞行器控制系统的控制方法研究

2．1 微小型四旋翼飞行器的系统建模

2．1．1 微小型四旋翼飞行器系统对象描述

2．1．2 系统运动学与动力学建模

2．2 微小型四旋翼飞行器控制器设计

2．2．1 系统整体控制结构

2．2．2 基于PID的姿态与位置控制器设计

2．2．3 基于积分型Backstepping的姿态与位置控制器设计

2．3 小结

第3章 微小型四旋翼飞行器控制系统的硬件设计与开发

3．1 硬件平台结构的设计与开发

3．2 硬件选型

3．2．1 传感器选型

3．2．2 控制器选型

3．2．3 执行机构选型

3．2．4 无线通信选型

3．3 硬件相关功能模块设计与开发

3．3．1 导航层12V-5V电源转换模块

3．3．2 导航层USB、串口接口扩展板模块

3．3．3 姿态层接口扩展板模块

3．4 小结

第4章 微小型四旋翼飞行器控制系统的软件设计与开发

4．1 软件设计思想

4．2 姿态层软件的设计与开发

4．2．1 姿态层软件开发平台

4．2．2 姿态层软件结构设计思想

4．2．3 姿态层软件各模块程序设计

4．3 导航层软件的设计与开发

4．3．1 导航层软件开发平台

4．3．2 导航层软件平台的工作机理

4．3．3 导航层软件相关模块设计

4．4 小结

第5章 微小型四旋翼飞行器的实验研究

5．1 微小型四旋翼飞行器的仿真实验

5．1．1 忽略扰动条件下的控制效果比较

5．1．2 改变质量条件下的控制效果比较

5．2 微小型四旋翼飞行器的实际实验

5．2．1 飞行器相关功能模块系统调试

5．2．2 实际飞行实验的注意事项

5．2．3 实际飞行实验的实时控制曲线

5．3 小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢