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1、小型無人機(jī)自駕儀的設(shè)計(jì)及其控制算法研究李森2015年1月中圖分類號(hào)：TP273.2UDC分類號(hào)：621.3小型無人機(jī)自駕儀的設(shè)計(jì)及其控制算法研究作者姓名李森學(xué)院名稱自動(dòng)化學(xué)院指導(dǎo)教師李保奎高級(jí)工程師答辯委員會(huì)主席伍清河教授申請學(xué)位工學(xué)碩士學(xué)科專業(yè)控制科學(xué)與工程學(xué)位授予單位北京理工大學(xué)論文答辯日期2015年1月DesignofAutopilotandResearchofControlAlgorithmforSmallUAVCandidateName:SenLiSchoolorDepartment:SchoolofAutomationF
2、acultyMentor:SeniorEngineerBaokuiLiChair,ThesisCommittee:Prof.QingheWuDegreeApplied:MasterofPhilosophyMajor:ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January，2015研究成果聲明本人鄭重聲明：所提交的學(xué)位論文是我本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作獲得的研究成果。盡我所知，文中除特別標(biāo)注和致謝的地方
3、外，學(xué)位論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的合作者對(duì)此研究工作所做的任何貢獻(xiàn)均已在學(xué)位論文中作了明確的說明并表示了謝意。特此申明。簽名：日期：北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要本文的主要內(nèi)容是小型無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀的設(shè)計(jì)及其控制算法研究。相對(duì)于有人駕駛的飛機(jī)，無人機(jī)具有自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程遙控、自主飛行的能力，同時(shí)具有體積小、發(fā)射回收方便，機(jī)動(dòng)性、靈活性好、對(duì)環(huán)境要求低、生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于無人機(jī)無需機(jī)組人員駕駛，所以能執(zhí)行更危險(xiǎn)的任務(wù)，具有低廉的任務(wù)
4、成本，無人機(jī)得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用。飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的核心組成部分，承擔(dān)著無人機(jī)自動(dòng)控制、自主飛行任務(wù)。本文提出的自動(dòng)駕駛儀主要強(qiáng)調(diào)作為飛行控制算法實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用雙處理器的集成組合，為并行算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了可能。首先，介紹了當(dāng)前無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后給出了無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀的總體結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了以ARM處理器和DSP控制器為核心，結(jié)合了陀螺儀、加速度計(jì)、GPS接收機(jī)、氣壓傳感器、電子羅盤等傳感器的無人機(jī)自動(dòng)駕駛儀，完成了傳感器的數(shù)據(jù)采集和多傳感器的數(shù)據(jù)融合、與地面監(jiān)控站的數(shù)據(jù)通信、多路控制信號(hào)輸出和PWM輸入信號(hào)捕獲。在無人機(jī)
5、的控制中，姿態(tài)控制是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行的關(guān)鍵技術(shù)，姿態(tài)解算也是該領(lǐng)域的重點(diǎn)、難點(diǎn)。本文給出了兩種姿態(tài)解算的實(shí)現(xiàn)方法：方向余弦矩陣法和四元數(shù)解算方法。為了保證解算結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，引入了互補(bǔ)濾波理論，并編寫相關(guān)程序在DSP+ARM自動(dòng)駕駛儀上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明了兩種方法在姿態(tài)解算上的有效性和穩(wěn)定性，并分析了二者在姿態(tài)解算性能上的特點(diǎn)。針對(duì)先進(jìn)控制算法運(yùn)算量大，算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，移植困難的問題，本文提出了自適應(yīng)的滑模變結(jié)構(gòu)控制，并給出了Lyapunov穩(wěn)定性證明。和傳統(tǒng)的滑模控制相比，自適應(yīng)方法不需要獲取具體的噪聲和擾動(dòng)的邊界信息
6、，只需要保證在理論上邊界是存在的，通過自適應(yīng)參數(shù)的變化來抵消噪聲和擾動(dòng)帶來的影響。通過自適應(yīng)策略，降低了算法的復(fù)雜度和運(yùn)算量，易于在自動(dòng)駕駛儀上進(jìn)行移植。MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了自適應(yīng)方法的正確性和有效性。最后，對(duì)本文所做的工作進(jìn)行了總結(jié)與展望，提出了今后研究工作的方向和問題，并展望了未來無人機(jī)及自動(dòng)駕駛儀的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛儀；并行算法；ARM；DSP；姿態(tài)解算；自適應(yīng)；滑模控制I北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文AbstractThecontentsofthisthesisaredesignofautopilotandres
7、earchofcontrolalgorithmforasmallUAV.Comparedwithmannedaircrafts,unmannedaerialvehicle(UAV)iscapableofautomaticcontrol,autonomousflight.Inaddition,UAVhasmanyadvantagessuchassmallvolume,easytolaunchandrecovery,flexibilityandlowrequirementstoenvironment,strongsurvivalskil
8、ls,andsoon.Therefore,UAVisabletoperformdangeroustaskswithlowcost,andithasbeenextensivelydevelopedandapplied.Flightcon
