偏振光导航的四旋翼控制系统设计与实现

摘要

偏振光导航是利用大气中偏振光分布模式的规律进行导航的。与传统的导航方法相比较，有其独特的优势，如抗电磁干扰、误差不随时间累积等，是一种新型的仿生导航方法。本文以新型的仿生微纳偏振光传感器导航应用为背景，设计实现了一种运用偏振光传感器组合导航的四旋翼飞行器。　　首先研究了仿生偏振光传感器的工作原理，并给出了其作为四旋翼导航基础的必要条件，为之后的系统设计提供更多的设计参数。　　其次，设计了基于偏振光传感器导航的飞行控制系统的总体方案，搭建了四旋翼飞行测试平台，包括对动力系统和飞控硬件模块的选型与电路设计。然后，根据偏振光传感器导航的必要条件，对飞控系统及软件进行了开发。给出了偏振光传感器的偏航角数据的获取流程与处理程序算法、实现了系统初始化和接入偏振光传感器数据的功能。将获取的传感器信息融合后，通过方向余弦矩阵进行姿态解算得到飞行所需的姿态角参数。采用PID控制算法对四旋翼姿态控制回路进行了设计，并设计出了与姿态控制对应的姿态自稳和偏航保持飞行模式。位置控制回路采用姿态内环，位置外环的设计思路，并设计出与此对应的定点悬停飞行模式。对于此模式产生的漩涡飞行问题进行了仿真，得出了最佳的偏航角误差范围，并通过相应的误差校准程序进行补偿消除。　　最后，通过实际飞行实验，对基于偏振光传感器导航的飞行模式与基于数字罗盘导航的飞行模式的性能进行了对比。首先测试了姿态自稳手动飞行的控制响应，调整PID参数到使其稳定飞行。在此基础上进行了基于偏振光传感器的偏航保持飞行模式测试，使其偏航角能够保持在允许的误差范围内。然后在有电磁干扰情况下测试了基于偏振光传感器和基于数字罗盘的定点悬停和预定航线的自动飞行模式。测试表明在有电磁干扰的环境中，应用偏振光传感器对四旋翼进行导航有着明显的优势。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容及章节安排

2 偏振光传感器偏航角计算方法分析

2．1 偏振光的检测方法

2．2 计算偏航角度

2．3 偏振光传感器导航的必要条件

2．4 本章小结

3 四旋翼控制系统数学模型建立

3．1 控制原理概述

3．2 四旋翼坐标系及姿态角参数定义

3．3 坐标变换矩阵建立与更新

3．4 动力学模型

3．4．1 电机动力学

3．4．2 旋翼动力学

3．4．3 系统动力学

3．5 本章小结

4 四旋翼硬件平台设计

4．1 飞行控制系统总体设计

4．2 处理器模块

4．3 传感器模块与通信模块

4．3．1 陀螺仪和加速度传感器

4．3．2 偏振光传感器与数字罗盘

4．3．3 GPS模块

4．3．4 气压高度传感器

4．3．5 通信模块

4．4 外围设备接口设计

4．4．1 UART接口电路

4．4．2 I2C总线

4．4．3 PWM接口电路

4．4．4 ISP在线下载接口

4．5 电源模块

4．6 结构与动力系统

4．7 本章小结

5 偏振光导航的飞控系统及软件设计

5．1 飞控系统软件架构设计

5．2 传感器模块数据读取

5．3 偏振光传感器偏航角获取

5．4 偏振光传感器偏航角的接入与初始化

5．5 姿态解算与数据融合

5．6 姿态控制

5．6．1 PID原理

5．6．2 姿态控制回路

5．7 位置控制

5．7．1 位置控制系统框架设计

5．7．2 高度控制

5．7．3 水平位置控制转化为姿态控制

5．7．4 定点悬停轨迹仿真

5．8 本章小结

6 飞行实验

6．1 姿态自稳手动飞行

6．2 偏航保持飞行

6．3 定点悬停飞行

6．4 预定航线自动飞行

6．5 本章小结

结论

参考文献

致谢