基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术研究

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1、中图分类号：V249论文编号：102870315-S001学科分类号：080401硕士学位论文基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术研究研究生姓名赵继学科、专业精密仪器及机械研究方向多旋翼飞行器导航控制技术指导教师刘建业教授曾庆化副教授南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一五年一月INanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonNavigatio

2、nandControlTechnologyofQuadrotorBasedonMotionCaptureSystemAThesisinPrecisionInstrumentandMachinerybyZhaoJiAdvisedbyProf.LiuJianyeAssociateProf.ZengQinghuaSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringJanuary,2015III基于运动捕捉系统

3、的四旋翼飞行器导航控制技术研究承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：IV南京航空航天大学硕士学位论文摘要四旋翼飞行器凭借其体积

4、小、重量轻、操作性好、可垂直起降和定点悬停等优势，在军事、民用和科技领域发挥着越来越重要的作用。四旋翼飞行器导航控制系统的设计是实现其自主飞行的关键，对四旋翼飞行器导航控制系统的研究具有重要的理论和工程应用价值。为了更好的对四旋翼飞行器的导航控制系统展开研究，消除传统的机载传感器设备对飞行器导航控制系统在实飞环境下的性能测试和评估带来的影响。本文引入运动捕捉系统，基于此搭建相应的测试平台，对四旋翼飞行器的导航控制系统展开研究。首先，本文在调研和分析基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术的研究现状和关键技

5、术的基础上，选取了一种通用的四旋翼飞行器为研究对象，对四旋翼飞行器的结构组成和运动机理进行了分析，采用牛顿-欧拉法完成了飞行器动力学模型的建立。其次，基于建立的四旋翼飞行器的动力学模型，分别采用改进PID和反步法对四旋翼飞行器的控制系统进行了设计，Matlab/Simulink环境下的悬停测试和追踪性能测试的仿真结果表明了所设计的控制器的有效性和正确性。再次，引入运动捕捉系统，对运动捕捉系统的运行机理进行了分析，研究了一种运动捕捉系统下飞行器导航信息的获取方法并进行了实验验证，实验结果证明了该方法的可行性和

6、获取的导航数据的正确性。基于VS2008开发工具设计并开发了配套的地面站软件系统，定义了相应的数据传输协议，完成了四旋翼飞行器测试平台的搭建。最后，根据四旋翼飞行器导航控制系统的设计要求，对四旋翼飞行器的导航控制系统进行了软硬件设计。在搭建的飞行器测试平台下，利用设计的导航控制系统进行了实际的飞行实验。实验结果表明，设计的导航控制系统的各个硬件模块均能正常工作，满足系统在体积、重量、功耗和稳定性等方面的要求；设计的软件的流程和架构合理可行，可靠性高；设计的地面站系统能够很好的完成数据的接收、处理、显示、存储

7、和发送等全部功能，与运动捕捉系统和飞行器间的配合良好，能够满足飞行器实际飞行测试的需求；设计的控制器能够很好的完成对四旋翼飞行器的位置和姿态控制，具有较好的控制效果。关键词：运动捕捉系统，四旋翼飞行器，导航控制系统，动力学建模，改进PID，反步法，地面站，测试平台；V基于运动捕捉系统的四旋翼飞行器导航控制技术研究ABSTRACTQuadrotorisplayingamoreandmoreimportantroleinmilitary,civilandtechnologyfieldsbyitsadvantag

8、esofsmallsize,lightweight,goodmaneuverabilityandabilityofhoverandverticaltakeoffandlanding.Thedesignofnavigationandcontrolsystemisthekeyofitsautonomousflight.Researchonquadrotornavigationandcontrolsystemhasgr