小型无人机云台控制系统的设计与实现

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1、工程硕士学位论文小型无人机云台控制系统的设计与实现作者姓名郑镇城工程领域控制工程校内指导教师裴海龙教授校外指导教师马毅教授级高工所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2017年12月TheDesignandImplementationofthePan-tiltControlforSmallUAVsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ZhengZhenchengSupervisor：Prof.PeiHailongSouthChinaUniversityofTechnology

2、Guangzhou,China分类号：TP301学校代号：10561学号：201521013368华南理工大学硕士学位论文小型无人机云台控制系统的设计与实现作者姓名：郑镇城指导教师姓名、职称：裴海龙教授申请学位级别：工程硕士工程领域名称：控制工程论文形式：□产品研发□工程设计□√应用研究□工程/项目管理□调研报告研究方向：检测技术与自动化装置论文提交日期：2018年01月03日论文答辩日期：2018年03月19日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：董超裴海龙苏为洲谢巍刘富春主席：董超委员：裴海龙苏为洲谢巍刘富春华南理

3、工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅（除在保密

4、期内的保密论文外）；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。本学位论文属于：□保密，在年解密后适用本授权书。□不保密，同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览；同意将本人学位论文提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社全文出版和编入CNKI《中国知识资源总库》，传播学位论文的全部或部分内容。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：指导教师签名：日期：作者联系电话：电子邮箱：联系地址(含邮编)：摘要近年来，无人机（UAV）在民用与

5、军事领域的应用越来越广泛，其中，机载云台的稳定控制是低空拍摄、海上检测、低空遥感应用中的核心技术。本论文设计了一套完整的三自由度机载云台控制系统，从云台的系统组成、状态检测、数学模型与控制方法四个方面展开了深入的研究。其主要研究内容如下：（1）该设计的云台控制系统主要由机械转轴结构、无刷直流电机（BLDCM）、传感器、主控器与交互系统组成。BLDCM采用多极对数的表贴式电机，使用DRV8313芯片配合SPWM与SVPWM弦波调制方法进行驱动，并利用低端电流检测方案进行3shunt电流采样；传感器则采用捷联惯性导航传感器与磁编码器结合的方式；主

6、控器采用带有FPU功能的32位嵌入式芯片STM32F407VGT6，并搭载了FreeRTOS系统与DSP运算库；交互系统则采用Qt搭建GUI界面，并实现与云台系统的通讯。（2）建立了云台系统的坐标系，配合捷联惯性导航理论实现了云台姿态信息的精准获取，同时，提出了一种基于双MPU6050与磁编码器结合的电机转子位置获取的新方法。（3）从三相静止坐标系、两相静止坐标系与两相旋转坐标系下分析BLDCM的物理方程式，通过Clarke变换与Park变换将BLDCM的数学模型简化为三阶线性模型，然后通过模型参数的计算与整定，推导出了云台控制系统各通道的精

7、确控制模型。（4）提出了一种云台BLDCM平滑起动的简单方法，并设计了三种不同控制方法，分别为单级PID的SPWM驱动控制器、串级PID的矢量控制器以及基于LQR的矢量控制器，并在MATLAB上构建相应的仿真模型，通过参数调节与性能分析，使系统达到了稳定与跟踪的控制目的。最后，将云台系统进行联机调试，其实验结果与设计性能相符。该云台系统在小型无人机火灾识别与跟踪项目中得到了实际应用。关键词：机载云台；无刷直流电机；姿态解算；矢量控制器；稳定与跟踪；LQRIAbstractTheunmannedaerialvehicles(UAVs)haveb

8、eenusedmoreandmorewidelyincivilandmilitaryfieldsinrecentyears.Andthestablecontrolo