小型无人机飞控系统设计.pdf

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1、硕士学位论文小型无人机飞控系统设计DESIGNOFSMALLUAVFLIGHTCONTROLSYSTEM朱锐哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V249.1学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文小型无人机飞控系统设计硕士研究生：朱锐导师：伊国兴研究员申请学位：工学硕士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V249.1U.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNOFSMALLU

2、AVFLIGHTCONTROLSYSTEMCandidate：ZhuRuiSupervisor：Prof.YiGuoxingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ControlScienceandEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要近年来，随着无人机的应用领域由军

3、事方面逐渐扩展到民用方面，特别是民用的气象监测、航拍测绘、森林防火、灾区搜救以及农业等领域，无人机蕴藏巨大的市场潜力。在这些应用领域中，对无人机提出了小型化、长航时等新的性能要求，面对这些新需求，无人机的飞控系统也需要进行相应的改进设计，以满足无人机飞行时的控制性能要求，因此，设计小型无人机飞控系统对无人机的进一步应用具有重要的意义。本论文首先介绍了四旋翼无人机的结构，描述了四旋翼无人机在升降、俯仰、横滚、偏航四种情况下的飞行状态。介绍了四旋翼建模过程中相关的坐标系，推导了坐标系之间的变换关系。采用牛顿-欧拉方法，对无人机平动运动、转动运动建模，建立完整的无人机动力学模型。

4、对动力学模型解耦及化简后，设计了无人机飞控系统控制律。采用最小二乘法对无人机动力学模型中可能变化的参数进行参数辨识，得到相应参数后，对原设计控制器做相应调整，消除因参数变化对系统控制性能的影响，保证了无人机飞行控制系统的性能。然后，在介绍扩展卡尔曼滤波算法的基础上，选用四元数法，推导了运用扩展卡尔曼滤波进行姿态估计的算法。简述了针孔摄像机模型，在此基础上详细推导了利用单目视觉信息进行无人机姿态估计的算法。此外，完成了整个无人机飞控系统的硬件电路设计与相关软件开发。硬件方面，分别设计了姿态测量单元与飞控主板，姿态测量单元进行了模块化设计，方便飞控系统进行冗余备份以及后续升级更

5、新。同时，充分利用飞控主板接口资源，设计了8种接口。软件开发部分，设计了相关的主函数与中断函数。最后，测试了无人机飞控系统，包括对飞控系统中姿态测量单元的温度特性测试，做了相应的温度补偿，对姿态测量单元的静态精度、动态精度进行了测试。测试了飞行姿态的控制性能。关键词：四旋翼无人机；控制系统；惯性姿态估计；软硬件设计；视觉姿态估计-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractRecently,withtheapplicationofunmannedaerialvehicle(UAV)expandedfrommilitaryfieldtocivilianfield,esp

6、eciallyinthefieldsofmeteorologicalmonitoring,aerialphotography,mapping,forestfireprevention,disasterareasearchandrescue,agricultureandsoon,thereisagreatdemandsforUAVs.Inthesefields,theyneedUAVswithsmallersizeandlongerflighttime.Therefore,theUAV’sflightcontrolsystemalsoneedstobeimprovedtome

7、ettherequirementsofflightmissions.So,it’smeaningfulforustodesignasmallUAVflightcontrolsystem.Firstly,thestructureofthequadrotorisintroduced.Theflightstatusofquadrotors:lifting,pitching,rollingandyawingaredescribed.Thetransformationrelationofcoordinatesystemsis