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四旋翼飞行平台飞行控制和惯性导航研究

作　者: 周权
导　师: 黄向华
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 微型无人飞行器四旋翼控制规律试验研究 PID控制惯性导航
分类号: V249
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

微小型四旋翼飞行器是一种外型新颖,可垂直起降,通过改变四个桨的转速来进行飞行控制的特殊无人机。但它是一个非线性、多变量、高度耦合的欠驱动(四个PWM输入,六个自由度)系统,在其飞行时,受到气流、重力、陀螺效应和旋翼惯量矩等的影响,因此,要想实现稳定控制是比较困难的。为了研究四旋翼飞行器的控制规律,本文构建了四旋翼飞行试验平台,就悬停和低速水平飞行状态下的飞行控制和惯性导航进行了探索性研究。首先选择合适的材料与元器件,制作了一架四旋翼飞行平台,测试了关键部件的性能。分别采用合适的试验方案测试转子升力、转速与PWM信号之间的关系,并对单通道进行系留试验,取得了较好的结果。本文利用四旋翼飞行平台动力学原理,建立了基于VC++语言仿真的动力学模型。对飞行平台的高度阶跃响应和水平位移阶跃响应进行了仿真。根据仿真结果,分析了四个PWM的变化与飞行平台加速度的变化。根据单通道的受力分析,建立了单通道复数域数学模型。通过SIMULINK仿真研究,得到了各控制参数对控制系统的影响。然后将欧拉法应用于惯性导航,并试验验证了欧拉法计算姿态。简单分析了GPS定位原理与GPS/INS组合导航的方法。最后对四旋翼飞行平台进行多次飞行试验,根据试验结果,调整控制参数和改进飞行平台结构,最终取得了初步的飞行成功。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-17
  1.1 课题研究的背景及其意义  12-13
  1.2 四旋翼飞行器的研究现状  13-16
    1.2.1 国外研究情况  13-15
    1.2.2 国内研究情况  15-16
  1.3 课题研究的内容及论文安排  16-17
第二章四旋翼飞行平台结构及工作原理简介  17-29
  2.1 飞行平台系统构成及其作动原理  17-19
  2.2 各重要部件及其工作原理简介  19-26
  2.3 系统工作流程及工作原理简介  26-28
  2.4 本章内容小结  28-29
第三章四旋翼飞行平台控制规律  29-40
  3.1 VC++语言和MATLAB 简介  29-30
  3.2 四旋翼飞行平台与直流电机的数学模型  30-35
    3.2.1 动力学模型  30-33
    3.2.2 复数域数学模型  33-35
  3.3 模拟仿真试验  35-39
    3.3.1 VC++实时仿真试验及结果分析  35-36
    3.3.2 SIMULINK 仿真试验及结果分析  36-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章惯性导航与组合导航  40-51
  4.1 陀螺仪滤波  40-42
    4.1.1 MEMS 陀螺仪漂移特点  40-41
    4.1.2 陀螺仪漂移模型  41-42
    4.1.3 陀螺仪滤波试验  42
  4.2 惯性导航研究  42-48
    4.2.1 姿态更新方程  43-45
    4.2.2 欧拉角算法验证试验  45-46
    4.2.3 加速度计静态校正试验  46-48
  4.3 组合导航  48-50
    4.3.1 GPS 定位原理简介  48-49
    4.3.2 卡尔曼滤波器在组合导航中的应用  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章四旋翼飞行平台试验及结果分析  51-61
  5.1 四旋翼飞行平台的结构设计与制作  51
  5.2 PWM 占空比与转子升力和转子转速关系测定  51-55
    5.2.1 转子升力试验平台的设计  51-53
    5.2.2 转子升力试验及结果分析  53-55
  5.3 单通道试验  55-58
    5.3.1 单通道试验平台的设计  56
    5.3.2 单通道试验  56-58
  5.4 四旋翼飞行平台飞行试验  58-59
  5.5 本章小结  59-61
第六章总结与展望  61-62
  6.1 总结  61
  6.2 展望  61-62
参考文献  62-65
致谢  65-66
在校期间的研究成果以及发表的学术论文  66

四旋翼飞行平台飞行控制和惯性导航研究

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