X型四旋翼无人机飞行控制系统的设计与调试

摘要

X型四旋翼无人机飞行器是目前较为常见同时也是较比火热的一种旋翼式无人机，微小型X型四旋翼无人机飞行器具有以下几个优点:机械设计比较简单、空中飞行动作较为灵活、可垂直起降并且具有很高的安全性。因此，这种旋翼式无人机在实际工程应用中的前景较为广阔，其目前可进行的主要任务有:空中拍摄、采集数据、农药喷洒，灾害救援等功能，但是其又具有较强的非线性，多变量耦合，欠驱动等特点，这些是其实现稳定控制所面临的主要问题。本课题的研究目的是设计，制作及调试一架X型四旋翼无人机，使其可在实际工程中得到应用。本课题的研究顺序如下:分析X型四旋翼飞行器，包括飞行原理，姿态解算与控制等，并且对其进行模型的建立，并在此基础上设计了飞行器的飞行控制系统，接着选定X型四旋翼无人机所需零部件完成组装与制作，并以此为样机，使用自己研发的调试平台进行进一步的测试与调试工作。
　　首先，针对所要制作的样机，即X型四旋翼无人机飞行器，完成模型的建立。其中，由于X型四旋翼数学模型的建立较为复杂，因而通过使用Unigraphics NX(UG), Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems(Adams)和MatrixLaboratory(Matlab)中的Simulink，对模型进行联合动态仿真，这样既避免了建模的繁琐过程，同时令仿真现象更加形象。其次，在联合仿真的过程中，设计并且选择与验证了关于飞行器姿态解算和姿态控制的算法，使之既能有效的抵抗外部干扰，同时不会对飞行器的实时姿态产生影响。在确立姿态解算与控制算法之后，根据飞行器的机械结构与控制要求等，选取合适的构成组建，如机架，动力系统，电源，传感器等零部件，搭载设计的飞行控制系统，完成样机的制作。然后，通过自主研发的飞行控制器参数调节与检测的装置完成对飞行器的零部件检测，同时进行飞行控制器中姿态控制参数的调节，使飞行器可以稳定飞行。最后，使用该X型四旋翼无人机完成在实际环境中的飞行试验，记录飞行器的各性能参数。通过最终的飞行试验，验证并表明了本文所设计的飞行控制器对X型四旋翼无人机的控制效果较好，其性能参数满足实际工程的基本要求，从而验证了本文设计的X型四旋翼无人机飞行控制系统的可行性，达成了本课题的研究目的。
　　在论文的最后，进行了本课题论文所做工作情况的基本总结，并对以后的工作进行了展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第二章 模型与联合仿真系统的建立

2．1 X型四旋翼无人机飞行原理

2．2 X型四旋翼飞行器模型与联合仿真系统的建立

2．2．1 联合仿真系统软件的选择

2．2．2 实体模型的建立

2．2．3 动力学模型的建立

2．2．4 联合仿真系统的建立

第三章 姿态解算与控制的仿真与对比

3．1 机体姿态角的描述

3．2 机体姿态角的计算

3．3 机体姿态角的融合

3．4 飞行控制算法的研究

3．4．1 传统PID

3．4．2 串级PID

3．4．3 模糊PID

3．4．4 仿真分析对比

第四章 X型四旋翼无人机的搭建

4．1 飞行控制器的硬件设计

4．1．1 微型处理器

4．1．2 姿态传感器MPU6050

4．1．3 磁力计HMC5883L

4．1．4 稳压电路部分设计

4．2 飞行控制系统的软件设计

4．3 无线控制设备

4．4 飞行器机架

4．5 飞行器动力设备

4．6 飞行器动力源

第五章 X型四旋翼无人机的调试与飞行

5．1 调试方法的选择

5．2 调试装置的概述

5．3 调试装置的工作原理

5．4 调试装置的上位机软件

5．4．1 上位机软件的概要介绍

5．4．2 上位机软件部分模块功能及实现原理的简述

5．5 调试结果与飞行测试

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 课题主要创新

6．3 展望

参考文献

致谢

研究生期间学术成果