小型四旋翼飛行器導(dǎo)航與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、小型四旋翼飛行器是一種新型的可以垂直起降的小型無人飛行器,它具有呈十字對稱交叉結(jié)構(gòu)形式的四個(gè)螺旋槳,并且具有非線性、強(qiáng)耦合性、時(shí)變性的動(dòng)力學(xué)特征以及系統(tǒng)本身的不確定性等特點(diǎn)。它通過改變四個(gè)對稱分布的旋翼轉(zhuǎn)速來調(diào)整機(jī)體的姿態(tài)與位置,具有可懸停、機(jī)動(dòng)性好、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn),受到各國科技工作者的廣泛關(guān)注。
　　本文以小型四旋翼飛行器為研究對象,首先對小型四旋翼飛行器的飛行原理進(jìn)行了分析并提出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案。對四旋翼飛行器的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)

2、學(xué)特性進(jìn)行分析,并采用準(zhǔn)LPV法將建立的系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型線性化,并以此模型作為控制系統(tǒng)的仿真模型。其次,根據(jù)四旋翼飛行器對導(dǎo)航信息的要求設(shè)計(jì)了以STM32微控制器、MEMS陀螺儀、加速度、磁阻傳感器為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng),并設(shè)計(jì)了一種基于四元數(shù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波的姿態(tài)導(dǎo)航算法。以四元數(shù)和陀螺儀零點(diǎn)漂移作為狀態(tài)變量,歐拉角作為輸出變量,利用四元數(shù)姿態(tài)微分方程作為卡爾曼濾波器的狀態(tài)方程,通過加速度和磁阻傳感器輸出構(gòu)造觀測方程來實(shí)現(xiàn)基于四元數(shù)的擴(kuò)

3、展卡爾曼濾波的姿態(tài)解算算法,從而解算出飛行器的航向、姿態(tài)信息。把導(dǎo)航控制器解算得到的航向姿態(tài)數(shù)據(jù)通過無線ZigBee模塊發(fā)送到設(shè)計(jì)的上位機(jī)LabVIEW軟件上,完成對飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示,并分析擴(kuò)展卡爾曼濾波數(shù)據(jù)融合的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種算法在靜態(tài)情況下可以得到飛行器較好的姿態(tài)輸出,動(dòng)態(tài)性能還需要通過改進(jìn)導(dǎo)航算法進(jìn)一步測試,從而為飛行器穩(wěn)定飛行提供準(zhǔn)確的航向姿態(tài)信息。再次。針對無感無刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)了電子調(diào)速系統(tǒng),在設(shè)計(jì)調(diào)速系