基于ARM的八旋翼懸停技術(shù)研究.pdf

1、 學(xué)校代碼：10406 分類號： V249 學(xué)號： 150408521009 南昌航空大學(xué) 南昌航空大學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文 （專業(yè)研究生） 基于 基于 ARM 的八旋翼懸停技術(shù)研究 八旋翼懸停技術(shù)研究 碩士研究生： 胡偉偉 導(dǎo) 師： 趙文龍教授 申請學(xué)位級別： 碩士 學(xué)科、專業(yè)： 控制工程 所在單位： 信息工程學(xué)院 答辯

2、日期： 2018 年 6 月 授予學(xué)位單位： 南昌航空大學(xué) I 摘 要 近幾年，隨著微機械和微電子技術(shù)的發(fā)展，使得越來越多的學(xué)者或企業(yè)開始接觸多旋翼無人機領(lǐng)域的研究。多旋翼無人機相比較傳統(tǒng)的固定翼無人機而言，具有可垂直升降、懸停飛行、機身質(zhì)量輕、體積小、造價低廉等優(yōu)勢而應(yīng)用于軍事和民用等相關(guān)領(lǐng)域。多旋翼無人機作業(yè)在一般出現(xiàn)在場景多變、地形復(fù)雜等條件不定的戶外環(huán)境中，能否長時間懸停穩(wěn)定飛行是多旋翼無人機非常重要參數(shù)指標(biāo)。本文以八

3、旋翼為研究對象，針對八旋翼懸停飛行問題進(jìn)行了如下研究。 首先從多旋翼結(jié)構(gòu)和原理分析出發(fā)，針對八旋翼非線性、強耦合、欠驅(qū)動、多輸入多輸出的特性，對其動力學(xué)建模分析和公式推導(dǎo)建立理論上的數(shù)學(xué)模型，解耦出八旋翼多輸入與多輸出之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。并對八旋翼飛控系統(tǒng)涉及的濾波算法和姿態(tài)解算算法做了相關(guān)分析。傳感器數(shù)據(jù)采集以及遙控數(shù)據(jù)接收過程中的數(shù)據(jù)涉及相關(guān)數(shù)字濾波處理。本文分析了卡爾曼濾波算法在姿態(tài)數(shù)據(jù)濾波中的優(yōu)勢并做出詳細(xì)推導(dǎo)和仿真測試。通過分析

4、推導(dǎo)四元數(shù)法在地理坐標(biāo)系和機體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣得出四元數(shù)表示姿態(tài)角的矩陣關(guān)系表達(dá)式。 然后設(shè)計八旋翼飛控系統(tǒng)硬件方案，包括中央控制單元、導(dǎo)航系統(tǒng)單元、電源管理單元、電機驅(qū)動單元、指令接收單元以及數(shù)據(jù)交互單元，并詳細(xì)分析各單元模塊硬件電路設(shè)計。通過 PCB 設(shè)計、打樣、焊接以及調(diào)試四個階段完成飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計。 控制算法是飛行控制和懸停研究的關(guān)鍵， 通過對傳統(tǒng) PID 控制算法、雙閉環(huán)串級 PID 控制算法以及 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展

5、開分析研究，并結(jié)合八旋翼數(shù)學(xué)模型，使用 MATLAB 工具對 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) PID 控制算法仿真分析，控制效果非常理想，但由于硬件限制原因最終選用雙閉環(huán)串級 PID 控制算法為飛控系統(tǒng)核心控制算法。接著設(shè)計上位機整體方案結(jié)構(gòu)，按模塊化編程思想將上位機軟件劃分為若干功能模塊，詳細(xì)分析數(shù)據(jù)通信協(xié)議并解析協(xié)議幀數(shù)據(jù)內(nèi)容。使用 C#編程語言完成各功能模塊編碼與調(diào)試工作。 最后對八旋翼軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行平臺調(diào)試與戶外飛行實驗測試。結(jié)合上位機軟件和