基于STM32的微型无人机飞行控制器研究_王博(4).caj

基于STM32的微型无人机飞行控制器研究
作 者 : 王博
学位授予单位 : 长春工业大学
学位名称 : 硕士
导师姓名 : 宋宇;徐峰
学位年度 : 2018
关键词 : 四旋翼;STM32;串级PID控制;组合导航;无迹卡尔曼滤波
摘 要 : 微型四旋翼无人机伴随着“微制造技术”的不断成熟,逐渐成为军事和民用领域的“新宠”。它具有结构简单、消耗资源少、对环境要求低等特性,市场前景广阔。但与此同时,四旋翼无人机作为一种非线性、高度耦合、多输入多输出又欠驱动的复杂系统,其控制问题成为了国内外无人机研究工作的难点。本文在成功构建微型四旋翼无人机飞行平台的基础上,设计了基于STM32的飞行控制器,重点研究了四旋翼无人机姿态控制算法和导航控制算法,最终分别通过实验验证了算法的可行性与实用性,达到了人工控制条件下使四旋翼无人机稳定飞行的目的。具体研究方法如下:首先,查阅相关资料,分析课题的研究背景与意义,着重从各国的技术研发投入角度梳理出国内外无人机及飞行控制器的研究现状,深入研究了微型四旋翼无人机的飞行控制原理,概括出飞行控制系统的工作流程和总体设计要求及目标,根据结构框图进行了元器件的选型,完成了软硬件及控制器主板电路的设计。其次,以所建立的微型四旋翼无人机数学模型为基础,进行姿态控制算法和导航控制算法的研究。学习掌握了PID控制算法、串级PID控制等相关理论知识,结合四旋翼无人机动力学线性模型和飞行平台相应参数求取各通道的传递函数,并针对理论上的控制效果借助MATLAB进行仿真对比分析,对比结果证明了串级PID控制的控制性能相对于传统PID有了较大改善。介绍了SINS/GPS组合导航的基本原理,重点研究了捷联惯性导航(SINS)和全球定位系统(GPS),在此基础上提出将基于四元数的无迹卡尔曼滤波用于微型四旋翼无人机SINS/GPS组合导航系统,以减小导航信息的均方误差,通过与扩展卡尔曼滤波器滤波性能的仿真对比证实了无迹卡尔曼滤波器的优越性,并通过实际的数据采集与分析,进一步验证了算法的有效性。最后,通过调试与试飞对文中相关理论研究成果进行了验证,制作完成了飞行控制器的PCB板,构建了四旋翼无人机飞行试验平台,进行了各信号输入测试,验证了PWM信号的输出方案,对PID参数进行了整机动态微调处理,实现了整机平稳飞行。

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