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(hào)： V249 學(xué)號(hào)： 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(qǐng)學(xué)位級(jí)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(jī)械和微電子技術(shù)的發(fā)展，使得越來(lái)越多的學(xué)者或企業(yè)開(kāi)始接觸多旋翼無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的研究。多旋翼無(wú)人機(jī)相比較傳統(tǒng)的固定翼無(wú)人機(jī)而言，具有可垂直升降、懸停飛行、機(jī)身質(zhì)量輕、體積小、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)而應(yīng)用于軍事和民用等相關(guān)領(lǐng)域。多旋翼無(wú)人機(jī)作業(yè)在一般出現(xiàn)在場(chǎng)景多變、地形復(fù)雜等條件不定的戶外環(huán)境中，能否長(zhǎng)時(shí)間懸停穩(wěn)定飛行是多旋翼無(wú)人機(jī)非常重要參數(shù)指標(biāo)。本文以八

3、旋翼為研究對(duì)象，針對(duì)八旋翼懸停飛行問(wèn)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(duì)八旋翼非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、多輸入多輸出的特性，對(duì)其動(dòng)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(duì)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?cái)?shù)據(jù)接收過(guò)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(shì)并做出詳細(xì)推導(dǎo)和仿真測(cè)試。通過(guò)分析

4、推導(dǎo)四元數(shù)法在地理坐標(biāo)系和機(jī)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(jì)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)。通過(guò) PCB 設(shè)計(jì)、打樣、焊接以及調(diào)試四個(gè)階段完成飛控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 控制算法是飛行控制和懸停研究的關(guān)鍵， 通過(guò)對(duì)傳統(tǒng) PID 控制算法、雙閉環(huán)串級(jí) PID 控制算法以及 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法展

5、開(kāi)分析研究，并結(jié)合八旋翼數(shù)學(xué)模型，使用 MATLAB 工具對(duì) 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(jí) PID 控制算法為飛控系統(tǒng)核心控制算法。接著設(shè)計(jì)上位機(jī)整體方案結(jié)構(gòu)，按模塊化編程思想將上位機(jī)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(yǔ)言完成各功能模塊編碼與調(diào)試工作。 最后對(duì)八旋翼軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行平臺(tái)調(diào)試與戶外飛行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)合上位機(jī)軟件和