双旋翼无人机姿态控制系统研究

发布时间：2021-07-31 16:39

倾转旋翼机兼具旋翼机(如直升机、多旋翼飞行器等)的低速机动性和定翼机的高速巡航性,是未来新构型飞行器的重要发展方向。作为其重要组成部分的姿态控制系统是当下研究的热点和难点之一。本文以西北农林科技大学自行研制的双旋翼技术验证机为研究对象,采用机电混控技术,进行了双旋翼无人机姿态控制系统的研究,为倾转旋翼机在直升机模式下低速飞行、垂直起降阶段的姿态控制奠定了基础。主要研究内容与结论如下:(1)本文提出了一种简单、易行的双旋翼无人机姿态控制方案。该方案基于单自由度自动倾斜器的倾转和无刷电机的差速实现对无人机三个姿态角以及高度的控制;通过旋翼的刚体动力学分析和倾斜器原理的研究,论证了该方案的可行性;采用双旋翼横列式(并列式)对称布局设计,有效消除了因单一旋翼升力不平衡产生的扭转力矩,从气动布局上保证了姿态可控;采用增量式PID算法作为双旋翼无人机姿态控制系统的核心控制算法。(2)完成了双旋翼无人机姿态控制系统硬件部分的设计和选型。分析了双旋翼无人机姿态控制系统的性能要求;对系统的硬件部分做了总体设计,系统硬件被分解为主控芯片(飞行控制计算机)、航姿测量系统、指令系统、航姿操纵系统、旋翼倾转系统五大硬件模块;研究了每个模块的功能和组成并做了相应的硬件选型。(3)完成了双旋翼无人机姿态控制系统软件部分的开发。采用MDK uVision5 IDE集成开发环境作为软件部分的开发平台,选用直接操作寄存器的开发方式;针对姿态控制系统软件部分的不同功能做了任务划分,具体划分为经串口读取惯导模块(航姿)数据、输出PWM波控制无刷电机(舵机)、定时器输入捕获遥控器信号、步进电机的驱动、PID控制算法;在任务划分基础上,对各个相对独立的任务进行了模块化设计并撰写了相应的算法程序。(4)进行了双旋翼无人机姿态控制系统的软硬件集成和系统调试试验。通过系统调试试验,验证了姿态控制方案的可行性;运用参数归一法和试凑法相结合的方式,对控制算法的参数进行了整定,并分析了整定过程中PID参数改变对姿态控制系统稳态特性和动态特性的影响;为改善姿态控制系统的控制品质,对控制算法进行了串级PID和微分先行PID的改进和优化;最终实现了无人机滚转姿态的控制增稳和随动控制,系统的稳态误差小于0.5°,延迟时间在1s左右,目标跟踪特性和外扰抑制特性满足设计要求。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1;V279

文章目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 选题的背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

1.4 技术路线

第二章双旋翼无人机姿态控制系统的方案设计

2.1 引言

2.2 倾转旋翼机的飞行控制原理

2.3 姿态控制方案设计

2.4 方案分析

2.4.1 自动倾斜器原理

2.4.2 俯仰控制方案分析

2.4.3 航向控制方案分析

2.4.4 滚转控制方案分析

2.4.5 高度控制方案分析

2.5 控制算法

2.6 本章小结

第三章双旋翼无人机姿态控制系统的硬件组成与选型

3.1 引言

3.2 机载姿态控制系统的性能要求

3.3 双旋翼无人机姿态控制系统的硬件组成与选型

3.3.1 主控芯片的选型

3.3.2 指令系统硬件组成与选型

3.3.3 航姿测量系统硬件组成与选型

3.3.4 航姿操纵系统硬件组成与选型

3.3.5 旋翼倾转系统

3.4 本章小结

第四章双旋翼无人机姿态控制系统软件任务划分与模块化设计

4.1 引言

4.2 开发环境

4.3 软件系统的任务划分

4.4 软件系统的模块化设计

4.4.1 通过串口读取惯导模块数据

4.4.2 输出PWM波控制无刷电机（舵机）

4.4.3 定时器输入捕获遥控器信号

4.4.4 步进电机的驱动

4.4.5 PID控制算法设计（以滚转控制为例）

4.4.6 主程序

4.5 本章小结

第五章双旋翼无人机姿态控制系统软硬件集成及系统调试

5.1 引言

5.2 软硬件集成

5.2.1 双旋翼无人机姿态控制系统工作原理

5.2.2 双旋翼无人机姿态控制系统软件工作原理

5.2.3 滚转姿态控制原理

5.2.4 俯仰控制原理

5.2.5 航向控制原理

5.2.6 高度控制原理

5.2.7 旋翼倾转工作原理

5.3 系统调试

5.3.1 系统调试方案

5.3.2 系统调试实验

5.3.3 参数整定

5.3.4 增量式PID算法的改进与优化——串级PID

5.3.5 增量式PID算法的改进与优化——微分先行PID

5.4 试验结果分析

5.4.1 比例系数pK对系统性能的影响

5.4.2 积分时间常数IT对系统性能的影响

5.4.3 微分时间常数DT对系统性能的影响

5.5 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

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