四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究

分类号：____________密级：______________ＵＤＣ：____________单位代码：______________硕士学位论文论文题目：四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究学号：_________________________作者：_________________________专业名称：_________________________2012年06月06日朱君公开10127控制理论与控制工程200902258TP273内蒙古科技大学硕士学位论文论文题目：作者：_________________________指导教师：单位：协助指导教师：单位：单位：论文提交日期：2012年06月06日学位授予单位：内蒙古科技大学江杰教授级高工内蒙古科技大学四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究朱君四旋翼无人飞行器控制系统设计及控制方法研究DesignofControlSystemandResearchonControlMethodforQuadrotorUAV研究生姓名：朱君指导教师姓名：江杰内蒙古科技大学信息学院包头014010，中国Candidate：ZhuJunSupervisor：JiangJieSchoolofInformationEngineeringInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnologyBaotou014010，P.R.CHINA独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：___________日期：____________关于论文使用授权的说明本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名：___________导师签名：___________日期：____________内蒙古科技大学硕士学位论文I摘要四旋翼无人飞行器是一种具有四个螺旋桨的飞行器并且四个螺旋桨呈十字形交叉结构，通过平衡四个旋翼产生的力来实现稳定盘旋和精确飞行，其具有欠驱动、多变量、强耦合、非线性等复杂特性。四旋翼无人飞行器研究内容涵盖了制造技术、结构设计、材料工程、空气动力学、自主飞行控制与导航、图像处理和先进通信技术、高效能源、微机电技术、传感器技术等多种高、精、尖技术，因此对四旋翼无人飞行器的研究无论是从国防战略角度，还是从民用角度来看，都有着十分深远的意义。本文以四旋翼无人飞行器为研究对象，首先，介绍四旋翼无人飞行器涉及的关键技术，设计了四旋翼无人飞行器整体结构，包括四旋翼无人飞行器的机械结构、控制系统硬件和软件设计，搭建四旋翼无人飞行器研究平台。其次，对四旋翼无人飞行器进行力学分析，并根据系统实际结构建立其动力学方程，得到系统传递函数，通过对传递函数做适当简化得到了系统仿真模型。第三，针对四旋翼无人飞行器数据采集处理，通过无线串口的方式将数据发送到上位机，并在LabVIEW中搭建数据采集平台，运用卡尔曼滤波对加速度和陀螺仪传感器进行数据融合，获得飞行器姿态原始数据和较好的姿态融合数据。第四，依据四旋翼无人飞行器的系统仿真模型，通过Matlab中的Simulink模块，分别对姿态回路PI控制算法、姿态和位置回路的PID控制算法和积分分离PID控制算法进行了仿真，验证了控制算法的有效性。最后，在实验室环境下，通过系留实验，验证了四旋翼无人飞行器控制系统设计方案和姿态、位置控制算法的可行性，并提出改进意见和方法。关键词：四旋翼无人飞行器；动力学模型；卡尔曼滤波；LabVIEW；控制算法内蒙古科技大学硕士学位论文IIAbstractQuadrotorUAVisakindofaircraft,thathasfourpropellerandthefourpropellerwithacruciformcross-structure,thatbybalancingthefourrotorgeneratesforcetoachieveastablehoverandprecisionflight.Ithasunderactuated,multivariable,stronglycoupled,nonlinearandotherscomplexcharacteristics,anditsresearchcoversvarietyofinterdisciplinarycross-integrationofhighprecisionandadvancedtechnologyprofessional,suchasManufacturingTechnology,StructuralDesign,MaterialsEngineering,Aerodynamics,AutonomousFlightControlandNavigation,ImageProcessingandAdvancedCommunicationTechnology,EnergyEfficiency,MEMSTechnology,SensorTechnologyandsoon.Therefore,theresearchoftheQuadrotorUAVaveryfar-reachingsignificance,whetherfromthepointofviewofnationaldefensestrategy,orfromacivilian.ThispaperaccordingtotheQuadrotorUAVastheresearchobject.FirstofallintroducekeytechnologiesinvolvedinQuadrotorUAV,andstructurefortheoveralldesign,includingMechanicalstructure,hardwareandsoftwarearchitecturedesign,andBuildaQuadrotorUAVplatform.FollowedmechanicalanalysisoftheQuadrotorUAV,andestablishitsdynamicsequationbasedontheactualstructure,andgetthesystemtransferfunction,andappropriatetosimplifythetransferfunctionforthesystemsimulationmodel.Bythethird,AccordingtothedataacquisitionforQuadrotorUAV,andwiththewayofwirelessserialporttosenddatatothePC,andtheKalmanfilterisusedonaccelerationsensorandgyroscopedatasfusion,AndinLabVIEWtobuildadataacquisitionsystem,accesstorawdataandabetterattitudeofthespacecraftattitudetointegrationofdata.FourthbasedontheQuadrotorUAVsystemsimulationmodel,withthesimulationinMatlabSimulinkblocks,respectivelyPIControlalgorithm,PIDControlalgorithmandIntegralseparationPIDControlalgorithmtopointagainsttheattitudeloopandattitude-positionlooprespectively,verifytheeffectivenessofthecontrolalgorithm.Lastly,completetheQuadrotorUAVmooringexperimentinalabenvironment,verifythefeasibilityofthedesigningofQuadrotorUAVcontrolsystemandattitude-positioncontrolalgorithm,andsubmititsviewsandmethodstoimprove.KeyWords：QuadrotorUAV;Dynamicmodel;Kalmanfilter;LabVIEW;ControlAlgorithm内蒙古科技大学硕士学位论文-1-目录摘要...............................................................................................................................IAbstract...............................................................................................................................II1绪论.............................................................................................................................-1-1.1前景、目的及意义...........................................................................................-1-1.1.1前景.........................................................................................................-1-1.1.2目的及意义.............................................................................................-1-1.2国内外研究现状及发展趋势...........................................................................-2-1.2.1背景.........................................................................................................-2-1.2.2国内外研究现状.....................................................................................-4-1.2.3四旋翼无人飞行器典型代表.................................................................-6-1.2.4发展趋势.................................................................................................-6-1.3关键技术解析