基于PIDNN的四轴飞行器姿态控制系统的研究与实现

摘要

四轴飞行器，作为一种旋翼式飞行器，因其具有结构简单、自主悬停和垂直升降等优点，特别适合在军事侦查、精准农业等领域推广应用，是未来无人机领域的发展趋势，具有广阔的科研价值和应用价值。
　　由于在飞行控制的过程中，需要通过四个通道的输入量控制六个自由度的运动，而且各控制通道之间具有明显的耦合性，因此四轴飞行器是一种典型的强耦合、欠驱动的非线性系统，系统设计具有极大的难度。
　　本文以四轴飞行器为研究对象，首先分析了四轴飞行器的结构框架和运动形态，并建立了其动力学模型;然后采用模块化的设计方法对飞行器的软硬件系统进行设计与实现，并在此平台上进行了操作系的移植和姿态控制算法研究，最终实现了飞行器的自主悬停。主要研究内容如下:
　　(1)本文对近年来四轴飞行器的研究与发展进行了详尽的阐述，根据四轴飞行器的飞行机理和物理结构，采用动力学理论和数学方法建立了四轴飞行器的动力学模型，为飞行器控制系统的研究提供了理论依据。
　　(2)根据四轴飞行器的功能要求，采用模块化的设计方法，分别对飞行器的软硬件系统进行了设计与实现，搭建了其实验平台。
　　在硬件方面，主要完成了传感器模块、电源模块、电机驱动模块和无线遥控模块的设计。针对四轴飞行器控制系统的技术要求，对微控制器、DC-DC电源转换芯片和姿态传感器的选型进行了细致的研究，深入分析了MPU6050惯性测量单元和NRF24L01无线收发模块的工作原理，以及惯性测量单元在姿态测量中存在问题，并给出了相应的解决方案。
　　在软件方面，主要实现了μC/OS-Ⅱ在STM32平台上的移植、无线通信设计、传感器数据采集与姿态解算、姿态控制设计以及串口数据传输设计。文中详细的描述了μC/OS-Ⅱ操作系统在STM32上移植的过程，无线通信、传感器采集和飞行器姿态控制的设计方法，以及DMA串口通信的原理，并给出了其详细的流程图。
　　(3)对四轴飞行器的姿态控制算法的研究。采用小扰动法对建立的动力学模型进行线性处理，并选用了PID神经元网络实现其姿态控制;针对梯度学习算法致使权值在学习过程中可能陷入局部最优解的情况，引入了基于粒子群算法的权值优化方法，并在MATLAB平台上进行仿真。
　　(4)通过悬停飞行测试，验证设计方案和算法的有效性。针对文中设计的算法，实现了飞行器的自主悬停，并根据姿态角的变化验证了姿态控制算法的可行性和有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题的来源

1．2 研究的背景及意义

1．3 四轴飞行器相关研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文的研究内容及组织结构

2 四轴飞行器工作原理

2．2．1 结构框架

2．2．2 坐标系的建立

2．2．3 运动原理

2．3 四轴飞行器的动态模型的建立

2．3．1 坐标系的转换

2．3．2 四轴飞行器动力学分析

2．3．3 四轴飞行器动力学方程

2．4 本章小结

3 四轴飞行器控制系统硬件设计

3．1 系统总体结构

3．2 飞行控制系统硬件设计

3．2．1 主控制器模块

3．2．2 电源模块

3．2．3 传感器模块

3．2．4 电机驱动模块

3．2．5 无线通信模块

3．3 无线遥控系统硬件设计

3．3．1 主控模块

3．3．2 电源模块

3．3．4 模拟量与开关量输入模块

3．3．5 其他模块

3．4 本章小结

4 四轴飞行器控制系统软件设计

4．1 操作系统平台搭建

4．1．1 Cortex-M3内核工作原理

4．1．2 μC／OS-Ⅱ操作系统移植

4．2 系统软件总体设计

4．3 无线通信设计

4．4 传感器数据采集与姿态解算

4．4．1 传感器数据采集

4．4．2 飞行器姿态解算

4．5 姿态控制程序设计

4．6 串口数据传输设计

4．7 本章小结

5 四轴飞行器控制算法研究与设计

5．1 经典PID控制原理

5．1．1 模拟PID控制

5．1．2 数字PID控制

5．2 PID神经元网络控制

5．2．1 PID神经元网络结构

5．2．2 PIDNN前向通路算法设计

5．2．3 网络反传算法设计

5．2．4 连接权值的初始化

5．2．5 姿态方程的建立

5．3 仿真结果分析及算法优化

5．3．1 PIDNN控制结果分析

5．3．2 增加动量项和PID神经元系数

5．3．3 基于PSO权值优化的PIDNN控制

5．4 实验测试及结果分析

5．5 本章小结

6 总结及展望

6．1 本文工作总结

6．2 展望

参考文献

个人简介

攻读硕士期间的学术活动及成果情况