四旋翼无人机飞控系统设计与研究

学校代码：10406分类号：V249.1学号：110085208014南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）四旋翼无人机飞控系统设计与研究硕士研究生：陈新泉导师：王幸国教授、王琪教授（副导师）申请学位级别：硕士学科、专业：电子与通信工程所在单位：信息工程学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：南昌航空大学TheDesign&ResearchoftheFlightControlSystemofQuadrotorADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnElectronic&CommunicationEngineeringbyXinQuanChenUndertheSupervisionofProf.XinguoWang&WangQiSchoolofInformationEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune.201477南昌航空大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是我个人在导师指导下，在南昌航空大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确地说明并表示了谢意。本声明的法律结果将完全由本人承担。签名：日期：南昌航空大学硕士学位论文使用授权书本论文的研究成果归南昌航空大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解南昌航空大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）签名：导师签名：日期：I摘要四旋翼在很早之前就已经有人研究，但是限于当时的科技还不够发达，因此并没有引起大家的重视。进入21世纪之后，随着科学技术的不断发展，以及微机电、微导航技术的出现，引来了四旋翼发展的新时代，各国都开设有相关的研究机构来对四旋翼飞行器展开研究。四旋翼拥有控制灵活、体积小、重量轻、稳定性好、可垂直起降和定点悬停等特点，不论是在军事上还是民用上都拥有非常广泛的应用前景。本文首先是对四旋翼飞行器的结构组成和工作原理进行分析，并以此为基础建立起四旋翼飞行器的动力学模型。然后按照设计要求，提出了飞行器控制系统的总体方案，主控制器采用的是ARM公司推出的STM32微控制器；姿态传感器采用的是MPU6050，它内部已经集成了三轴陀螺仪和三轴加速度计；航向测量模块采用的是高灵敏度的HMC5883L磁航向计；高度测量模块采用的高精度的BMP085气压高度计；定位导航模块采用的是GPS定位系统，定位芯片采用了u-blox公司生产的NEO-6M芯片；无线数据通信模块采用的是NRF24L01模块实现。硬件部分设计完成之后，开始对飞行器软件架构进行综合设计。首先是完成各机载传感器的数据采集，然后采用卡尔曼滤波的方法对传感器数据进行融合处理；采用PID控制算法实现了对飞行器的姿态控制；根据STM32的捕获输入功能，捕获接收机接收到的地面控制信号，完成对飞行器的控制作用；另外，系统中还加入了无线数据通信链路，通过这一模块能够实现地面系统与机载系统之间的数据传输和控制指令传达的功能。最后对飞行器进行了飞行试验，首先是地面静态测试，测试各种状态下飞行器的姿态信息，并将测试到的姿态信息传输给上位机进行姿态显示；然后是进行四旋翼的空中动态飞行实验，分别进行了垂直运动，前进后退，左右侧飞，左右偏航等试验，经过测试，飞行器能够接收到地面控制指令并完成相应的飞行任务，飞行状态稳定，抗风能力较强，可实现空中悬停。关键词：无人机，四旋翼，飞控系统，GPS定位，PID控制IIAbstractQuadrotorhasbeenstudiedveryearlybutdidnotarousewidespreadattentionduetothelimitoftechnology.Afterenteringthe21stcentury,withthedevelopmentofscienceandtechnology,aswellasMEMS,micro-navigationtechnologiesemerge,attractedaneweraofdevelopmentintheQuadrotors.Countrieshavesetuprelevantresearchinstitutionstostudyquadrotoraircraft.Quadrotorhasbroadapplicationprospectsinmilitaryandcivilianwiththecharacteristicssuchasflexiblecontrol,smallsizeandlightweight,andgoodstability.Quadrotoralsohasthecharacteristicsofverticaltakeoffandlandingandspothover.Firstly,thecompositionandworkingprincipleofthefour-rotoraircraftisanalyzed,Andasabasistoestablishadynamicmodeloffour-rotoraircraft.Thenfollowthedesignrequirements,theoverallschemeoftheaircraftcontrolsystemsproposed.MastercontrollerusestheSTM32microcontrollerwhichislaunchedbythecompanyofARM;AttitudesensorusesaMPU6050,ithasbeenintegratedwithinthethree-axisgyroscopeandthree-axisaccelerometer;Headingmeasurementmoduleusesahigh-sensitivitymagneticheadingmeterHMC5883L;HighdegreeofprecisionmeasurementmodulesbarometricaltimeterBMP085;PositioningandnavigationmoduleusesaGPSpositioningsystem,positioningchipsusingaNEO-6Mchip,whichisproducedbycompanyofu-blox;TheWirelessdatacommunicationmoduleisusedNRF24L01module..Afterthehardwaredesigniscomplete,theaircraftbeganacomprehensivesoftwarearchitecturedesign.Thefirstistocollectdatafromeachairbornesensors,thenuseKalmanfilteringmethodforsensordatafusion;UsingPIDcontrolalgorithmtoachievetherightaircraftattitudecontrol;UsetheSTM32’scaptureinputfunctiontocapturingcontrolsignalofthereceiverreceivesfromGroundstation,toachievethecontroloftheaircraft;Inaddition,thesystemalsojoinedthewirelessdatacommunicationlink,throughthismodulecanachievethefunctionofdatatransferandcontrolcommandsconveybetweengroundsystemsandairbornesystems.Finally,theaircraftconductedaflighttest,Firstoneisgroundstatictestingtotesttheattitudeinformationoftheaircraftundervariousstatus,anddisplayedtheattitudeinformationtothehostcomputer.Thenquadrotor'sairdynamicflighttesthasbeenIIIconducted,Includingverticalmotionfly,pitchfly,rollfly,yawflyandothertests.Tested,theaircraftcouldreceivethegroundcontrolinstructionsandcompletethecorrespondingflightmissions.Andtheflightstatusisstablewithstrongwindresistanceability.Theaircraftcanrealizehovering.Keywords:UAV,Quadrotor,Flightcontrolsystem,GPSpositioning,PIDcontrol.南昌航空大学硕士学位论文目录IV目录摘要........................................................................................................................................................IAbstract................................................................................................................................................II目录.....................................................................................................................................................IV第1章绪论.........................................................................................................................................11.1课题研究目的和意义..............................................................................................................11.2国内外发展及研究现状..........................................................................................................11.2.1国外研究现状.........................................................................