基于超声波测距技术的小型无人机高度测量方法研究

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1、分类号:学校代码:10128UDC:学号:20121100070（硕士学位论文学生类别：全日制学术型硕士研究生学科名称：计算机应用技术论文题目：基于超声波测距技术的小型无人机高度测量方法研究英文题目：ResearchonMethodofAltitudeMeasuringBasedonUltrasonicRangingforSUAV学生姓名：刘慧导师姓名：李健教授二○一五年六月本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中己经注明引用的内容外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过

2、的研究成果，也不包含为获得内蒙古工业大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。：学位论文作者签名：指导教师签名：日期：n日期："学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古工业大学有权将学位论文的全部或部分内容保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。为保护学校和导师的知识产权，作者毕业后涉及该学

3、位论文的主要内容或研究成果用于发表学术论文须征得内蒙古工业大学就读期间导师的同意，并且版权单位必须署名为内蒙古工业大学方可投稿或公开发表。本学位论文属于保密□，在_年解密后适用本授权书。不保密（请在以上方框内打“V”）学位论文作者签名：-MX指导教师签名:#gC日期：yr'6,ff曰期：his'6."内蒙古工业大学硕士学位论文摘要高度数据是小型无人机飞行控制的重要参数，目前普遍采用气压传感器感知大气压强变化，通过气压高度公式计算得到海拔高度，或直接由GPS接收模块的NMEA0183数据报文得到海拔高度数据。为实现

4、小型无人机的自主起飞、着陆或在地形复杂的环境下超低空飞行，需要获得较高精度的相对高度数据。微小型无人机对飞控系统的重量、体积和功耗有着苛刻的限制，难以通过无线电高度表、测距雷达等传统成熟手段获得相对高度数据。近年来，采用超声波测距技术获取更高精度相对高度数据的方法以短距离超声测距传感器体积小、重量轻、功耗低及精度高的优势，在微小型无人机飞控系统中正受到越来越多的重视。本文分析论述了小型无人机飞行控制对高度参数的测量需求、各种高度测量技术的原理和特点以及国内外小型无人机高度测量技术的研究与应用现状；深入分析研究了空

5、气的温湿度和气压、超声换能器输出信号频率和波束角、多普勒效应和不同飞行状态等多种因素对小型无人机超声波高度测量的影响。为对小型无人机超声波高度测量的静、动态特性进行实验研究和测试验证，设计搭建了一个由ARMContex-M3微控制器STM32F103TB开发板、无线数传电台和Phantom2微型四旋翼无人机构成的实验研究平台。文中详细论述了平台嵌入式软件2系统的总体结构、软件模拟IC接口和UART接口、主要传感器数据采集与处理、通信数据帧封装与无线发送等各关键程序模块的设计思想和过程，以及上位机软件中数据无线接收

6、、显示和记录等功能的设计与实现。借助该平台，对采用数字式超声波测距模块KS103获取小型无人机相对高度参数的诸多关键问题进行了测试分析和实验研究，论文分析讨论了在不同测试条件下获得的静态测试数据，和搭载Phantom2在室外不同地面条件下飞行测试获得的动态数据，给出了由静、动态测试数据得到的分析结论。希望本文对超声波高度测量方法涉及的关键问题进行的理论分析和实验研究结论可供微小型无人机高度测量技术研究与飞行控制系统设计参考借鉴。关键词：高度测量；超声波测距；小型无人机；KS103超声测距模块I内蒙古工业大学硕士学

7、位论文AbstractAltitudeisoneoftheimportantparametersofsmallUAV(UnmannedAerialVehicle,UAV)flightcontrolling.Currently,SUAV’saltitudegenerallycanbegotbybarometerwhichiswidelyusedtoperceivechangesofpressureintheair,andcalculatethealtitudebytheequationofbarometricalt

8、itude.Inaddition,SUAV’saltitudealsocanbegotdirectlybyGPSreceiverthroughNMEA0183datapackets.However,relativealtitudeisneededinvariousspecialapplicationssuchasSUAV’sautonomoustakeoff,autono