四旋翼飞行器自动驾驶仪设计硕士论

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1、南京航空航天大学硕士学位论文四旋翼飞行器自动驾驶仪设计姓名：杨明志申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王道波20080101南京航空航天大学硕士学位论文摘要根据四旋翼飞行器侧重于重量轻、体积小、功耗低、性价比高的特点，提出了一种数字式飞行控制系统的总体结构。飞行控制计算机是四旋翼飞行器自动驾驶仪的基本组成部件。采用模块化设计思想，设计开发了一种基于C8051F020高性能单片机为核心的飞行控制计算机。为了便于控制，四旋翼飞行器采用对称分布的结构形式。本文分析了四旋翼飞行器的结构形式及其工作原理。对四旋翼飞行器的动力学、运动学特性

2、进行分析，建立了非线性数学模型。通过引入四个控制量，把非线性模型分解成四个独立的控制通道，分解后的非线性模型又进一步采用小扰动法进行线性化，得出了悬停状态下四旋翼飞行器简化的线性模型，作为四旋翼飞行器控制对象进行控制系统设计。在密切联系四旋翼飞行器工作原理和线性模型的基础上，提出控制系统的控制策略以及实施方案，采用经典的PID控制方法，设计了四旋翼飞行器在悬停状态下姿态控制律和位置控制律。对数字仿真结果进行分析，验证了控制方案的可行性。为了有效地调节四个电机转速来改变旋翼转速，从而控制四旋翼飞行器的姿态和位置，本文制作了四旋翼飞行器的结构外形，

3、以传感器、飞行控制计算机、执行机构为核心，设计了实物试验平台。通过试验得出，直流电机转速和PWM波占空比的关系，旋翼拉力满足系统要求，执行机构反应迅速、连续，辨识的直流电机数学模型为惯性环节。试验验证了硬件和软件的功能及可靠性，设计方案的合理性。关键词：四旋翼，自动驾驶仪，悬停，飞行控制，无刷直流电机i四旋翼飞行器自动驾驶仪设计ABSTRACTAnoverallschemeofdigitalflightcontrolsystemisproposed,accordingtothecharactersofquad-rotoraircraftwhic

4、harelight,smallvolume,lowpower,highperformance-to-price.Theautopilotofquad-rotoraircraftismainlycomposedofflightcontrolcomputer.AflightcontrolcomputerwhosecoreisC8051F020,usingthemodulardesignmethod.Foreasingthewayofthecontrol,quad-rotoraircraftusessymmetricallayout.Thisarti

5、clehasanalyzedthestructuralstyleandtheworkingprincipleofquad-rotoraircraft.Characteristicsaerodynamicsandkinematicsofquad-rotoraircraftareanalyzed,andthenonlinearmathematicalmodelisgiven.Itsdynamiccharacteristicsarediscussedindetail.Thenonlinearmodelisdecoupledtofourseparate

6、loops,andtheincrementfunctionofsmallsignalperturbationisderivedwhichisregardedasthecontrolobject.Onthebaseofworkprincipleandlinearmodel,themethodandapplicationofthecontrollerareproposed.AttitudecontrollerandpositioncontrolleraredesignedusingtheclassicalmethodofPID.Finally,th

7、efeasibilityofcontrolmethodisverifiedbythedigitalsimulation.Inordertocontroleffectivelytheattitudeandpositionofthequad-rotoraircraftthroughtheadjustmentoffourmotors,thestructuralstyleandtheexperimentplatformwhosecoresaresensor,flightcontrolcomputerandactuatoraredesigned.Itco

8、ncludesthattherelationshipbetweentheDCmotorspeedandthePWMdutycycleisconfirm