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多旋翼无人机嵌入式飞行控制系统设计及试验研究

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第一章 绪论

1.1引言

1.2研究背景与意义

1.3国内外研究现况

1.4本文研究内容和章节安排

第二章 嵌入式控制系统方案设计

2.1引言

2.2变距变转速四旋翼飞行器

2.3对象控制要求

2.4总体方案设计

2.5控制系统组成配置

2.6飞行控制软件

2.7小结

第三章 嵌入式飞行控制系统硬件设计

3.1引言

3.2硬件电路设计

3.3硬件PCB电路板设计

3.4加载底层驱动

3.5小结

第四章 飞行控制律设计与系统软件实现

4.1引言

4.2变距变转速四旋翼飞行器建模

4.3控制律设计

4.4控制律抗饱和措施

4.5控制律自动调参优化

4.6飞行控制程序设计

4.7小结

第五章 半物理视景仿真与飞行试验验证

5.1引言

5.2基于FlightGear的半物理仿真实验

5.3飞行科目试验

5.4小结

第六章 总结与展望

6.1全文工作总结

6.2后续工作展望

参考文献

致谢

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摘要

多旋翼飞行器由于其自身的特点,目前已成为无人机行业的研究热点,其中以四旋翼飞行器研究较为火热。四旋翼飞行器具有结构对称简单,优越的低速飞行性能以及悬停特性,然而往往受载重和续航时间限制,本文以大载重、续航时间长的变距变转速四旋翼飞行器为研究对象,对多旋翼无人机嵌入式飞行控制系统的设计、验证和应用进行了研究。
  首先,对变距变转速四旋翼飞行器进行飞行控制系统总体方案设计。其中研究了控制律的设计以及嵌入式飞行控制的软硬件的需求;确定了机载飞行电子设备,软件的框架结构与功能;利用模块化设计思想对嵌入式飞行控制系统硬件结构进行了模块划分,给出了以ATMEGA2560-16AU为核心的嵌入式控制软硬件架构,设计了电源转换,数据通信等相关的外设硬件模块。
  然后,针对建立的变距变转速四旋翼飞行器飞行动力学模型,利用PID控制器设计飞行控制律。采用分步优化设计思路完成了飞行控制系统各通道以及各个控制回路的控制律设计与仿真;引入积分分离抗饱和法优化了控制效果,给出的仿真结果能够表明所设计的控制律可满足飞行控制性能指标要求;利用粒子群算法实现了飞行控制参数自动整定,通过仿真得到验证。
  最后,利用三维实时视景仿真平台,进一步验证了控制律控制效果与飞行动力学模型的可靠性。通过无人四旋翼飞行器飞行试验,给出的试飞结果分析表明文中所设计的嵌入式飞行控制系统是可行、可靠的。

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