基于ARM的八旋翼懸停技術研究.pdf

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

2、日期： 2018 年 6 月 授予學位單位： 南昌航空大學 I 摘 要 近幾年，隨著微機械和微電子技術的發(fā)展，使得越來越多的學者或企業(yè)開始接觸多旋翼無人機領域的研究。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、機身質量輕、體積小、造價低廉等優(yōu)勢而應用于軍事和民用等相關領域。多旋翼無人機作業(yè)在一般出現(xiàn)在場景多變、地形復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。本文以八

3、旋翼為研究對象，針對八旋翼懸停飛行問題進行了如下研究。 首先從多旋翼結構和原理分析出發(fā)，針對八旋翼非線性、強耦合、欠驅動、多輸入多輸出的特性，對其動力學建模分析和公式推導建立理論上的數(shù)學模型，解耦出八旋翼多輸入與多輸出之間的數(shù)學表達式。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)勢并做出詳細推導和仿真測試。通過分析

4、推導四元數(shù)法在地理坐標系和機體坐標系之間的轉換矩陣得出四元數(shù)表示姿態(tài)角的矩陣關系表達式。 然后設計八旋翼飛控系統(tǒng)硬件方案，包括中央控制單元、導航系統(tǒng)單元、電源管理單元、電機驅動單元、指令接收單元以及數(shù)據(jù)交互單元，并詳細分析各單元模塊硬件電路設計。通過 PCB 設計、打樣、焊接以及調試四個階段完成飛控系統(tǒng)硬件設計。 控制算法是飛行控制和懸停研究的關鍵， 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)絡算法展

5、開分析研究，并結合八旋翼數(shù)學模型，使用 MATLAB 工具對 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡 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。接著設計上位機整體方案結構，按模塊化編程思想將上位機軟件劃分為若干功能模塊，詳細分析數(shù)據(jù)通信協(xié)議并解析協(xié)議幀數(shù)據(jù)內容。使用 C#編程語言完成各功能模塊編碼與調試工作。 最后對八旋翼軟硬件系統(tǒng)進行平臺調試與戶外飛行實驗測試。結合上位機軟件和