小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究

《小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究李森2015年1月中图分类号：TP273.2UDC分类号：621.3小型无人机自驾仪的设计及其控制算法研究作者姓名李森学院名称自动化学院指导教师李保奎高级工程师答辩委员会主席伍清河教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月DesignofAutopilotandResearchofControlAlgorithmforSmallUAVCandidateName:SenLiSchoolorDepartment:SchoolofAutomationF

2、acultyMentor:SeniorEngineerBaokuiLiChair,ThesisCommittee:Prof.QingheWuDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor:ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方

3、外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要本文的主要内容是小型无人机自动驾驶仪的设计及其控制算法研究。相对于有人驾驶的飞机，无人机具有自动控制、远程遥控、自主飞行的能力，同时具有体积小、发射回收方便，机动性、灵活性好、对环境要求低、生存能力较强等优点。由于无人机无需机组人员驾驶，所以能执行更危险的任务，具有低廉的任务

4、成本，无人机得到广泛发展和应用。飞行控制系统是无人机系统的核心组成部分，承担着无人机自动控制、自主飞行任务。本文提出的自动驾驶仪主要强调作为飞行控制算法实验平台，采用双处理器的集成组合，为并行算法的设计实现提供了可能。首先，介绍了当前无人机技术的发展现状，然后给出了无人机自动驾驶仪的总体结构，并设计了以ARM处理器和DSP控制器为核心，结合了陀螺仪、加速度计、GPS接收机、气压传感器、电子罗盘等传感器的无人机自动驾驶仪，完成了传感器的数据采集和多传感器的数据融合、与地面监控站的数据通信、多路控制信号输出和PWM输入信号捕获。在无人机

5、的控制中，姿态控制是实现自动飞行的关键技术，姿态解算也是该领域的重点、难点。本文给出了两种姿态解算的实现方法：方向余弦矩阵法和四元数解算方法。为了保证解算结果的稳定性和可靠性，引入了互补滤波理论，并编写相关程序在DSP+ARM自动驾驶仪上进行了实验。根据实验结果，证明了两种方法在姿态解算上的有效性和稳定性，并分析了二者在姿态解算性能上的特点。针对先进控制算法运算量大，算法实现复杂，移植困难的问题，本文提出了自适应的滑模变结构控制，并给出了Lyapunov稳定性证明。和传统的滑模控制相比，自适应方法不需要获取具体的噪声和扰动的边界信息

6、，只需要保证在理论上边界是存在的，通过自适应参数的变化来抵消噪声和扰动带来的影响。通过自适应策略，降低了算法的复杂度和运算量，易于在自动驾驶仪上进行移植。MATLAB仿真实验结果说明了自适应方法的正确性和有效性。最后，对本文所做的工作进行了总结与展望，提出了今后研究工作的方向和问题，并展望了未来无人机及自动驾驶仪的发展前景。关键词：自动驾驶仪；并行算法；ARM；DSP；姿态解算；自适应；滑模控制I北京理工大学硕士学位论文AbstractThecontentsofthisthesisaredesignofautopilotandres

7、earchofcontrolalgorithmforasmallUAV.Comparedwithmannedaircrafts,unmannedaerialvehicle(UAV)iscapableofautomaticcontrol,autonomousflight.Inaddition,UAVhasmanyadvantagessuchassmallvolume,easytolaunchandrecovery,flexibilityandlowrequirementstoenvironment,strongsurvivalskil

8、ls,andsoon.Therefore,UAVisabletoperformdangeroustaskswithlowcost,andithasbeenextensivelydevelopedandapplied.Flightcon