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四翼飞行器的控制策略研究

  • 商品编号:单片机546
  • 货  号:单片机546
  • 品  牌:jgyc
  • 开发语言: C
  • 论文字数: 1.2W
  • 市场价: ¥300.00
  • 销售价: ¥200.00
  • 节省: ¥100.00

以下是介绍(不过多网上展示为了防止查重),如需要完整的请联系客服qq购买.提示:本资料已审核通过,内容严格保密,格式标准,质量保证,软件类的包调试成功. 需要这份设计请添加QQ303563675.团购或代理了解

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摘要

随着科技的不断发展,无人机的使用领域越来越广泛。在众多的无人机中,旋翼无人机以其质量轻小,控制灵活以及适应环境能力强等特点,近年来,成为了众多高校、机构以及企业开发以及研究的重要平台。因此,深入研究旋翼无人机的控制策略,实现无人机的稳定飞行,具有很重要的现实意义。

在此背景下,首先设计一套四旋翼无人机飞行平台,为航行姿态测量和飞行控制策略的研究提供基础。其次,根据四旋翼无人机的飞行原理,运用牛顿力学理论建立无人机系统的动力学模型,并对模型中的参数进行测量。

整个无人机系统由姿态测量与估计系统和飞行控制系统两个核心部分组成。姿态策略与估计系统通过飞行平台上搭载的惯性测量单元、陀螺仪以及气压计等传感器数据经过解算得到;而飞行控制系统接收控制指令并且结合姿态策略与估计系统反馈回来的姿态信息,解算出各个电机的控制信号,最后通过控制电机的转速,实现飞行的控制。

本文选取了STM32F103VCT6芯片作为四旋翼无人机的飞行控制平台,根据不同传感器的特点,选择对应的滤波算法,再通过姿态解算算法得到四旋翼无人机的姿态信息,最后通过串级PID控制四旋翼无人机的四个电机,来达到实现各种飞行动作的目的。

关键词:四旋翼、PID控制、姿态解算

1.1 本文研究内容和方法

本文研究基于STM32微处理器的飞行控制算法的设计,通过对加速度计、陀螺仪、磁力计等姿态传感器数据进行分析,利用欧拉角姿态解算和多传感器信息融合算法,解算出无人机的实时姿态信息,最后应用于飞行器的控制算法上,实现无人机姿态的稳定控制。

第1章 四旋翼无人机总体设计

1.1 四旋翼无人机平台总体设计

四旋翼无人机的组成主要由以下几个系统组成:机架系统、动力系统以及飞行控制系统。下面将对每个系统作简单的介绍。

1.1.1 机架系统

机架是指四旋翼无人机的机身架,是整个飞行系统的飞行载体。通常为了减轻无人机自身的重量,机架的材质都会选择使用高强度低密度的材料。比较多款机架的性能以及我们的需求后,选择了F450机架作为我们的飞行平台。

F450机架是大疆公司出品的机架,商品毛重为0.89kg。数字代表机架对角线的距离,单位是毫米(mm)。包含了中心板、机臂和脚架。其中,中心板主要用于安装不同的设备和器件;机臂一端固定在中心板上,另一端固定电机;脚架即无人机的起落架,用于将无人机垫起一定的高度,可以起到降落缓冲的作用。

1.1.2 动力系统

动力系统是为整个四旋翼提供动力的装置,它主要包括了桨叶和电机。

电机一般根据其结构分为有刷电机和无刷电机。有刷电机将磁铁固定在电机外壳或者底座,成为定子,然后将线圈绕成绕组,成为转子,需要电刷实现换向。无刷电机顾名思义不含有电刷,因此不会有电刷损耗,也没有换向带来的电火花,极大降低了电磁打火对机载电子设备的干扰。

我们选用2312电机作为我们的动力来源,其中23代表电机转子的直径为23mm12代表电机转子的高度为12mm

桨叶,即螺旋桨,是产生推力的部件。在四旋翼无人机上,为了抵消电机的反扭矩,不同的轴旋转方向不同,一般相邻两个轴的旋转方向相反,为了实现无论正反旋转都产生向上的升力的目的,需要配备不同旋转方向的螺旋桨,从上向下看桨叶顺时针旋转时浆的迎风面在前称为正浆,从上向下看桨叶逆时针旋转时浆的迎风面在前称为反浆。

为了配合2312电机,我们选择了9443螺旋桨作为我们的桨叶。

1.1.3 飞行控制系统

飞行控制系统是四旋翼无人机的控制中枢,其核心是一个CPU,采用微处理器作为处理中枢,通过串行总线(例如SPII2CUART等)扩展连接高精度传感器,主要由陀螺仪、加速度计、磁力计、气压计以及控制电路等组成。该系统能够对无人机状态和姿态进行估计,同时带有一定的控制系统算法,实现飞行控制功能。

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