超小型旋翼机自主着陆中的姿态保持控制系统研究

摘要

无人飞行器在现代军事和民用方面得到了越来越广泛的应用，引起了世界各国学者的关注和研究。起飞和着陆是无人机飞行过程中的两个复杂阶段，也是无人机研制的关键技术之一，因而超小型旋翼机自主着陆控制系统的设计显得非常重要，是实现超小型旋翼机完全自主飞行的决定因素之一。 为了实现无人机的自主着陆，本文以超小型无人旋翼机作为低空飞行平台对其自主着陆控制系统进行了一系列的探讨与研究。首先为了更好地了解控制对象的运动机理和物理结构，根据能量守恒和动量定理对直升机的自主着陆的动态模型进行了定性的分析，研究了无人旋翼机所产生的旋翼升力与诱导速度的关系，并给出了其数值推导算法：同时，为了实现无人机的最优着陆，设计了无人机自主着陆的降落轨迹，为无人机的自主着陆的位置控制提供了参考依据；其次介绍了无人机机载传感器模块，并采用卡尔曼滤波数据融合方法，实现了对无人机姿态角的估计，提高了传感器的精度；硬件设计上利用USB主控制芯片，扩展一个移动U盘的外部存储区，通过外接一个U盘作为无人机飞控系统的数据采集模块，更好地实现了对无人机飞行数据的离线分析；为了实现超小型旋翼机的自主着陆，在总体控制策略上采取内环姿态控制和外环位置控制相结合的策略；最后本文主要针对无人机自主着陆中的姿态控制，选取TI公司的DSP控制芯片作为系统的主芯片，采用传统的PID控制算法，建立了无人机的硬件和软件系统，并采用MATLAB/Simulink软件对其控制算法进行了仿真。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题来源

1.2项目背景

1.3国外研究现状

1.4国内研究现状

1.5研究内容

第二章超小型旋翼机自主着陆动态分析

2.1无人机乖直降落动态模型分析

2.1.1旋翼机悬停动态模型

2.1.2旋翼机垂直上升动态模型

2.1.3旋翼机垂直下降动态模型

2.1.4旋翼机垂直下降诱导速度的推导

2.2无人机垂直降落的降落轨迹设计

2.2.1无人机常用坐标系之间的转换

2.2.2降落轨迹设计

2.2.3无人机降落轨迹确定

2.3小结

第三章传感器与数据融合技术

3.1姿态估计传感器

3.1.1加速度计

3.1.2陀螺仪

3.2无人机姿态角的测量

3.2.1角度测量方案比较

3.2.2角度测量方案确定

3.3无人机位置估计

3.3.1无人机位置方位的确定

3.3.2无人机高度信息的确定

3.4小结

第四章机载主控制器系统设计

4.1系统硬件设计

4.1.1微控制器选择

4.1.2系统的输入输出定义

4.1.3电源模块

4.1.4 USB数据存储器模块

4.1.5 SPI多机通信

4.2系统软件设计

4.2.1软件结构

4.2.2软件控制节拍与系统流程图

4.2.3控制算法

4.2.4.基于USB的无人机数据采集系统软件设计

4.3小结

第五章超小型旋翼机控制系统仿真与实验

5.1超小型旋翼机操作模型研究

5.1.1超小型旋翼机操作响应传递函数的确定

5.1.2操作模型非线性研究

5.1.3超小型旋翼无人机执行器特性研究

5.2系统仿真

5.2.1自主着陆控制系统总体设计

5.2.1 Simulink仿真工具软件介绍

5.3.2仿真分析

5.3实际飞行实验

5.4小结

第六章总结和展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

作者在硕士学位期间公开发表的论文和参加的科研项目

致 谢