一种四旋翼无人机自动降落控制方法研究与设计

摘要

随着惯性导航传感器和嵌入式处理器技术的快速发展，近年来四旋翼无人机的高效、多功能化飞行控制已经成为一个十分热门的研究领域。四旋翼无人机自动降落控制是无人机飞行控制系统的关键技术之一，对四旋翼无人机降落的稳定性、安全性、实时性及可靠性起到至关重要的作用。因此，对四旋翼无人机的自动降落控制方法研究并探索改进控制方法具有重要的现实意义。本课题研究工作的目的是设计与实现四旋翼无人机自动降落控制系统，完成其硬件电路设计和相应软件的开发，研究了无人机姿态、飞行高度数据滤波算法，并在PID算法的基础上发展了一种性能优异的自动降落控制算法。
　　本文主要完成了以下几个方面的研究工作:
　　(1)建立并研究了四旋翼无人机非线性动力学模型。根据四旋翼无人机结构特性以及动力学特性，分析了无人机飞行的模态以及基本控制方式，为进一步研究无人机降落算法奠定了理论基础。
　　(2)以工业级STM32F407VET6微控制器作为核心，设计出了四旋翼无人机自动降落控制系统样机。给出了各功能模块详细的电路设计，并对硬件电路设计进行了分析和技术总结。
　　(3)用KeilμVision4软件开发平台编写了底层硬件驱动程序，完成了姿态和飞行高度的滤波及解算程序设计，开发了无人机自动降落控制应用程序。
　　(4)设计传感器数据滤波算法，利用基于四元数的互补滤波姿态解算算法，实现了一种精度高、实时性好的四旋翼无人机姿态解算方法。
　　(5)研究了PID控制算法的理论和实现方法，结合四旋翼无人机的控制特点，发展了一种新的基于PID控制算法的自动降落控制算法，并通过实验验证，结果表明:该算法提高了四旋翼无人机自动降落时机体的稳定性，并且缩短了降落的时间。
　　(6)通过软件、硬件联合调试测试，完成了四旋翼无人机自动降落测试，降落过程姿态稳定性测试，以及降落速度测试，验证了本文所设计的无人机自动降落控制系统的可行性。
　　测试结果表明:本文所设计的样机实现了自动降落功能，而且降落过程机体的姿态稳定性较好，降落速度较快。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 论文的主要工作及组织结构

第2章 四旋翼无人机动力学模型

2．1 四旋翼无人机飞行控制基本原理

2．2 坐标系统定义

2．3 四旋翼无人机动力学模型

2．4 本章小结

第3章 控制系统总体设计

3．1 控制系统总体设计方案

3．1．1 指令输入模块

3．1．2 传感器模块

3．1．3 控制器

3．1．4 动力执行模块

3．1．5 供电系统模块

3．2 本章小结

第4章 控制系统硬件设计

4．1 硬件系统的总体设计

4．2 中央处理器控制模块

4．3 传感器模块

4．4 动力驱动模块

4．5 无线通信模块

4．6 系统供电方案

4．7 本章小节

第5章 四旋翼无人机自动降落控制算法

5．1 无人机姿态解算

5．1．1 姿态解算的意义

5．1．2 姿态的四元数表示法

5．1．3 互补滤波算法

5．1．4 基于四元数的姿态解算

5．2 飞行高度解算

5．3 姿态控制

5．4 飞行高度控制

5．5 本章小结

第6章 系统软件设计

6．1 软件总体设计

6．2 开发环境简介

6．3 数据采集程序设计

6．3．1 控制指令接收

6．3．2 姿态数据采集

6．4 数据处理程序设计

6．5 自动降落程序设计

6．6 本章小结

第7章 测试结果与结果分析

7．1 测试环境及工具

7．2 测试结果及结果分析

7．2．1 基本指令功能测试分析

7．2．2 飞行测试分析

7．2．3 自动降落测试及分析

7．3 本章小结

第8章 总结与展望

8．1 总结

8．2 工作展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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