基于嵌入式的四旋翼无人机姿态测量及控制算法研究

• 作 者: 冯恺鹏
• 出 处: 南京理工大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 四旋翼无人机 滑模控制算法 卡尔曼滤波 嵌入式

四旋翼无人机与普通飞行器相比,其结构简单,常被应用于各种任务之中,应用前景十分广阔,因此成为国内外的研究热点。四旋翼无人机的姿态测量系统以及控制系统是其最核心部分。姿态测量系统时刻对四旋翼无人机姿态进行测量,将解算的导航信息输入到控制系统中。控制系统根据当前导航信息与目标轨迹之间的对比,给后续执行机构发送指令,使得无人机能够在没有外界干预的情况下,按照规定轨迹进行飞行。无人机的姿态测量及控制系统的优劣直接决定了无人机的飞行性能,同时无人机姿态测量及控制系统的研究涉及了电子、通信、自动化、计算机等多个领域,在技术上拥有相当大的前沿性。本文基于嵌入式设计了一套用于四旋翼无人机自主飞行的测控系统,通过对四旋翼无人机以及其电机进行相应分析,得到四旋翼无人机以及电机的数学模型,并进行了相应的简化,为控制器的设计提供了系统的状态方程。根据四旋翼无人机的状态方程,跟踪目标轨迹以及四旋翼无人机当前的姿态以及位置信息,设计了几种控制器,通过Matlab对其分别进行仿真,并通过对它们跟踪性能,抗干扰性能以及鲁棒性能的比较,验证了其中模糊控制器与滑模控制器相结合的控制算法拥有更好的控制性能,其响应时间可以控制在1s以内,并且几乎不存在超调,在受到外界干扰或者系统参数发生变化后,都能快速响应。为了得到控制器需要的准确的导航信息,对数字滤波器进行研究。通过对四旋翼无人机系统设计了相应的卡尔曼滤波器,根据四旋翼无人机的实际情况,通过间接法与直接法相结合的方式,运用Verilog语言在CPLD上实现了卡尔曼滤波器的设计。为了实现四旋翼无人机的自主飞行,选择相应的导航传感器,使用ARM作为系统的主控芯片,从而得到四旋翼四个电机的控制信号。根据要求设计并完成实验系统的制作,包括硬件电路的设计以及上位机及下位机软件的编写,并通过飞行实验来验证系统的稳定性与可行性。