發(fā)布時(shí)間：2020-11-22 08:51

　　 四軸飛行器作為近年來科技發(fā)展的重要產(chǎn)物,已經(jīng)受到了科研愛好者和商業(yè)公司的廣泛關(guān)注。雖然國內(nèi)外已有許多成熟的四軸飛行器產(chǎn)品,但是對(duì)于操作者而言,控制飛行器并不是一件十分容易的事,因此對(duì)于四軸飛行器的結(jié)構(gòu)和控制算法的改進(jìn)及優(yōu)化仍是目前研究的重點(diǎn)。本文的研究內(nèi)容和主要方法如下:1.研究了四軸飛行器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。提出了一種可裁剪的嵌入式硬件結(jié)構(gòu),闡明了各硬件模塊的特點(diǎn)和優(yōu)劣性。根據(jù)不同環(huán)境自由選用合適的傳感器模塊,拓展了四軸飛行器的應(yīng)用面。2.研究了STM32微控制器資源。根據(jù)其定時(shí)器的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了針對(duì)于四軸飛行器的任務(wù)分配機(jī)制,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微控制器的輸入輸出信號(hào)的捕獲和比較,為四軸飛行器遙控信號(hào)的監(jiān)測(cè)和電機(jī)控制信號(hào)的輸出奠定了基礎(chǔ)。3.研究并實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器姿態(tài)解算和控制算法。該算法使用四元數(shù)法求取姿態(tài)角,考慮到求得姿態(tài)角中存在的誤差,本文提出了一種基于傳感器數(shù)據(jù)融合消除姿態(tài)角誤差的方法,提高了姿態(tài)角解算的精確性。4.研究并實(shí)現(xiàn)了四軸飛行器高度控制和位置控制算法。每種控制算法都設(shè)計(jì)了2種實(shí)現(xiàn)方案,由相應(yīng)的傳感器完成高度或位置數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè),可根據(jù)實(shí)際環(huán)境自由選擇控制模式。5.研究了PID控制算法。為了進(jìn)一步提高控制精度,本文提出了使用串級(jí)PID算法對(duì)飛行器的電機(jī)進(jìn)行控制,以外環(huán)控制器的輸出作為內(nèi)環(huán)控制器的期望值,大大提高了四軸飛行器飛行過程中的穩(wěn)定性。6.設(shè)計(jì)了四軸飛行器與地面站之間的通信協(xié)議并對(duì)控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)四軸飛行器的姿態(tài)、高度和位置控制的情況進(jìn)行了觀測(cè)和分析。通過通信協(xié)議傳回地面站的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),本文使用的四軸飛行器控制算法應(yīng)用場(chǎng)景廣泛,并且具有較高的穩(wěn)定性和魯棒性。
【學(xué)位單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V249.1
【部分圖文】：

圖 3- 2 飛控板 PCB 設(shè)計(jì)圖Fig. 3- 2 Flight control board PCB design3.2 微控制器四軸飛行器的微控制器采用STM32F407，STM32F407屬于CortexM4內(nèi)核，具有低門電路數(shù)，低中斷延遲和低成本調(diào)試等特點(diǎn)，其基本電路和引腳定義如圖3-3 所示。將 STM32F407 作為四軸飛行器的微控制器，是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)勢(shì)：（1）運(yùn)行速度快：STM32F407 最高運(yùn)行頻率可以達(dá) 168MHZ，尤其適用于浮數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理，擁有自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器 ART；（2）資源豐富：STM32F407 支持 CompactFlash、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAN存儲(chǔ)器，擁有高達(dá) 1MB 的 Flash 和 192KB 的 SRAM，具備靈活的靜態(tài)存儲(chǔ)控

圖 3- 3 STM32F407 基本電路和引腳定義Fig. 3- 3 STM32F407 basic circuit and pin definition 驅(qū)動(dòng)模塊軸飛行器的驅(qū)動(dòng)模塊由電子調(diào)速器，無刷電機(jī)和螺旋槳組成[8]。電飛控板輸出的調(diào)速信號(hào)控制電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生飛行所需要成飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)。.3.1 電子調(diào)速器子調(diào)速器簡(jiǎn)稱電調(diào)，針對(duì)不同電機(jī)可分為有刷電調(diào)和無刷電調(diào)，本調(diào)，其一端連接飛控板用于接收 PWM 調(diào)速信號(hào)，另一端連接電機(jī)統(tǒng)輸出的 PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電子調(diào)速器實(shí)物圖如圖 3-

圖 3- 4 電子調(diào)速器實(shí)物圖Fig. 3- 4 Physical map of electronic speed control電機(jī)叫交流電機(jī)，采用變頻調(diào)速法，雖然調(diào)速結(jié)構(gòu)復(fù)率高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，與有刷電機(jī)相比，相同體積，可提供更強(qiáng)力的飛行動(dòng)力。無刷電機(jī)內(nèi)部有三號(hào)進(jìn)行變頻調(diào)速，改變各槳葉的升力與反扭矩，
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2894440