六旋翼无人机的设计

毕业设计（论文）题目六旋翼无人机的设计专业自动化学号1100400105学生高翔指导教师伊国兴答辩日期2014.6.23I哈尔滨工业大学毕业设计（论文）评语姓名：高翔学号：1100400105专业：自动化毕业设计（论文）题目：六旋翼无人机的设计工作起止日期：_2014_年_3__月_5__日起_2014_年__6_月_23_日止指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________本人已对该论文进行全程指导和严格审查，方案和数据真实、可靠，是该生的原创论文。指导教师签字：指导教师职称：评阅人评阅意见：__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________评阅教师签字：评阅教师职称：II答辩委员会评语：______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定：学生毕业设计（论文）答辩成绩评定为：对毕业设计（论文）的特殊评语：____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________答辩委员会主任（签字）：职称：________________答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员（签字）：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________年月日III哈尔滨工业大学毕业设计（论文）任务书姓名：高翔院（系）：航天学院专业：自动化班号：1004101任务起至日期：2014年3月5日至2014年6月23日毕业设计（论文）题目：六旋翼无人机的设计立题的目的和意义：近一个世纪以来，无人机以其低损耗、零伤亡、高机动性等优势，在军事、民用和科学研究三大领域发挥着重要作用，比如在军事上可用于监控，火力打击；在民用上，可以用于电网巡视，城市环境监测；在科学研究上，可用于对生活污染区域的取样。无人直升机具备垂直升降、悬停等灵活飞行性能优势，因此在某些环境下比固定翼无人机具有更好地适用性。六旋翼无人机将更加适用于在危险和恶劣的环境下工作。在军事和民用领域都将具有广阔的应用前景。如今，它将成为新的受关注的研究方向。这种关注既来自于应用需求的带动，也源于这项技术的挑战性。技术要求与主要内容：（1）尺寸、结构与续航不带桨尺寸：长562mm宽487mm高150mm带桨尺寸：长592mm宽517mm高150mm具有可折叠机构，折叠后可以放入箱子内，便于携带运输具有可拆卸的旋翼护罩，保证特殊应用场景下的安全性问题机体重量：小于1.5kg续航时间：25min（2）视频部分机载相机通过WiFi将视频传回至PC、视频眼镜，保证500m的图像传输距离。通过视频的识别，控制UAV跟踪单一颜色背景下某一物体的移动。（3）控制部分传感器包括陀螺仪、加速度计、磁强计、气压计、GPS、超声波测距、摄像头IV实现UAV的定点悬停，达到较高的悬停精度。实现在缺失一个桨叶的情况下的控制。实现对螺旋桨故障的诊断，在螺旋桨故障时候，及时调整控制算法。（4）人机界面用遥控器进行实时控制在PC端有地面站，实时显示机载数据，发送控制指令，显示摄像头图像在iOS或Android移动端，有移动地面站，实时显示机载数据，发送控制指令，显示摄像头图像，同时提供更为直观的操控方式。进度安排：3月1日~3月20日完成控制软件的编写，完成“定点悬停“3月21日~4月9日完成与视频部分的结合，完成对物体的追踪。4月10日~4月14日中检准备4月14日中期检查4月15日~4月20日在iOS或者Android系统上设计人机界面，实现移动端的控制。完善PC端的人机界面4月21日~4月30日完成系统的完善。提高遥控系统的集成度与通讯系统的集成度。5月1日~~5月10日完成整套系统的便携性设计，便于外出携带5月11日~5月20日收尾工作5月21日~6月1日准备毕业论文、Demo等资料6月2日结题V同组设计者及分工：独立完成指导教师签字___________________年月日教研室主任意见：教研室主任签字___________________年月日哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）VI摘要六旋翼无人机是一种具有可垂直起降能力的小型无人飞行器，它通过上下共轴放置的三组共六个电机提供升力，通过改变旋翼转速来调整姿态，通过调整姿态进一步实现位置控制，具有悬停性能优异、移动灵活、机械结构紧凑、零部件可靠性高等优点。论文首先对六旋翼无人飞行器的调姿原理进行了介绍，分析了其飞行姿态的调整方式。并建立了六旋翼无人机的数学模型，根据实际情况对其数学模型进行了必要的简化。接着，论文完成了对于六旋翼无人机控制系统硬件平台的组建，组建了高精度的传感器系统，并完成了飞行控制器硬件的设计与实现，完成了硬件调试工作以及驱动的编写工作。然后，论文建立了六旋翼无人机的完整控制系统，其中包含位置控制部分、高度控制部分以及姿态控制部分，建立了一套完整的对姿态传感器进行机械防震与数字滤波的方法；提出了一种新颖的气压计、超声波传感器和加速度计的融合方法，通过实验验证了滤波效果；提出了一种优化的拉力分配方法使得控制系统的可靠性得到增强。接着，论文设计实现了飞行控制软件的主要功能，从技术层面上对于实时性与可靠性进行了大幅的提升。最后，论文通过悬停试验验证了姿态控制器的控制精度；通过抗干扰能力试验验证了姿态控制器的稳定性；通过信号跟踪试验验证了姿态控制器的跟踪性能；通过高度控制实验验证了高度控制器的控制性能；通过视频跟踪实验验证了六旋翼无人机整体控制架构的合理性与有效性。关键词：六旋翼无人机；PID；多环路控制；数据融合哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）VIIAbstractHex-rotorisonekindofsmallunmannedaerialvehicles(SUAV)whichhavetheabilityofverticaltake-offandlanding(VTOL）.Itgetsthrustbycontrollingsixrotorswithpropellerswhicharedividedinto3groupsofcoaxialrotors.Itsattitudeiscontrolledbyregulatingthespinningspeedoftherotorswhichinturnmakesitspositioncontrollable.Thehex-rotorhasmultipleadvantagessuchastheabilityofverticaltake-offandlanding,goodmobilityandhighreliability.Therefore,thehex-rotorhasbroadapplicationprospectsandenormousvalueofresearch.Firstly,theflyingprinciplewasdividedintofourmainmodesofmotionandanalyzedseparately.Thedynamicmodelofthehex-rotorSUAVwasdeducedwithsomenecessarysimplifications.Then,thecontrolsystemhardwarewasbuiltusinghigh-precisionsensors.Theworkofdebuggingthehardwareandprogrammingthedriverswasalsodone.Inthefollowing,themaincontrolschemewasproposedwhichcomposedofthreemaincontrollers:positioncontroller,heightcontrollerandattitudecontroller.Acompletesolutiontoreducethenoiseinthegyroscopeandaccelerometercausedbyvibrationwasproposedincludingmechanicalanti-vibrationmethodand