基于STM32的四旋翼飞行器的设计与实现

四旋翼飞行器属于欠驱动系统,具有四个输入力和六个状态输出,其应用广泛却设计困难。以STM32为控制核心,分析并设计了四旋翼飞行器的各个功能模块和软件流程。高精度的多路传感器在协同工作下,采集飞行器运动信息并将遥控信号发送至STM32处理器,STM32经过处理驱动电机相应运动,调节飞行器姿态。实验结果表明,基于STM32的四旋翼飞行器能够实现姿态调整、悬停、航拍等功能,验证了其设计的合理性。     

基于动力系统模型的四旋翼推力估计方法

为解决四旋翼飞行器的精确控制需要使用动力系统推力,而该飞行器推力不可直接测量的问题,提出了一种悬停状态下的四旋翼推力估计方法.对四旋翼动力系统建模,并建立了悬停状态下用于推力估计的线性系统,以动力系统输入控制值和四旋翼姿态及高度输出测量值作为新系统输入,使用状态观测器对四旋翼推力进行估计.结果表明,基于动力系统模型的四旋翼推力估计方法可有效估计悬停状态下四旋翼动力系统所产生的推力.      

四旋翼飞行器自主循迹取物运输系统的研究

为实现无人机在运输方面的自动化和信息化,设计并实现一种能自主循迹、取物并运输至目标点的四旋翼飞行器。通过对四旋翼飞行器飞行控制原理的分析,使用超声波传感器获取飞行器实时高度,利用计算机图像处理技术实时判断飞行器位置,并用PID( Proportion-Integral-Derivative) 控制器控制飞行器的飞行高度和自身姿态,实现了四旋翼飞行器的自主循迹飞行和物体识别,以及驱动机械手完成对目标物体的抓取与投放。测试结果表明,飞行器可在1 m 高度上以20 cm/s 的速度沿预设轨迹自主循迹飞行,能在50 s 内识别与抓取底面半径为4 cm、高度为8 cm 的圆柱形物体,并投放在以目标点为圆心半径为25 cm 的范围内,达到了预期效果。     

基于光流传感器的四旋翼飞行器设计

采用Texas Instruments公司的TM4C123GH6PM单片机作为四旋翼飞行控制系统和光流数据处理的核心单元,将九轴传感器MPU9250的陀螺仪、加速度计和磁力计经姿态解算后的角度数据作为飞行控制系统的飞行姿态反馈,超声波传感器所测量的高度数据作为飞行高度反馈,优象光流传感器所输出的位置数据作为位置反馈,设计了一款新型四旋翼飞行器.实验结果表明,该四旋翼飞行器自主导航系统可以实现室内自稳、定高和定点飞行功能.     

视频跟踪四旋翼飞行器创新实验系统

提出了一种具有视频跟踪功能的四旋翼飞行器创新实验系统设计方案,通过搭建小型四旋翼无人机飞行平台和人机界面,使其能够将远程视频信号和传感器采集信号无线传输至上位机,结合数字图像处理技术与基于AVR单片机的电机控制、数据处理等功能,实现其自主飞行模式、预订高度悬停功能、飞行器的远程控制、视频信号处理和整体系统的无线通讯。     

基于ARM处理器的四旋翼无人机自主控制系统研究

为实现四旋翼无人机的自主飞行控制,设计并搭建了四旋翼无人机的硬件飞行控制平台.该平台采用自行组装的四旋翼飞行器作为本体,航向姿态参考系统(AHRS)MTi-G单元作为主要机载传感器,ARM嵌入式系统芯片作为主控制器,AVR单片机作为超控单元.基于四旋翼无人机的非线性动态模型,采用内外环结构的PD控制算法,构造了无人机的位置与姿态跟踪控制器.实现了四旋翼无人机滚转角、俯仰角和水平纵向、横向位置共四个自由度的自动控制.实验结果表明,本文提出的机载控制系统设计取得了较好的飞行控制效果.     

一种微型四轴飞行器设计

伴随着多旋翼飞行器技术的日益成熟,四轴飞行器因具有结构简单、能耗低、体积小等优点,得到广泛应用。该文旨在设计一种采用STM32芯片作为主控芯片,以运动传感器MPU6050作为姿态传感器,通过2.4G无线通信模块与遥控板进行通信,使用PID控制算法通过PWM方式驱动空心杯电机实现遥控控制的微型四轴飞行器。该飞行器采用一体化设计,结构简单,制作方便,可以作为四轴飞行器的科普学习及STM32学习平台。     

多旋翼飞行器建模与控制器设计

随着各项技术的日趋成熟,多旋翼飞行器的控制器设计也愈发受到重视.为了使四旋翼飞行器在复杂环境下可以进行稳定的飞行,设计了四旋翼无人机飞行器的控制器,根据实际情况对数学模型进行简化,建立了一个四旋翼飞行器运动的数学模型;在Simulink中搭建比例积分微分(proportion integration differentiation,PID)控制模型,实现串级PID控制,通过调整PID参数,初步实现了使其稳定飞行的目标.通过在Simulink上搭建系统模型并最终得出仿真结果,证明飞行器的姿态和位置都得到了稳定的控制.     

基于双处理器的四旋翼飞行器设计

针对普通四旋翼飞行器携行不便、振动干扰的问题,设计了一种基于双处理器的折叠式四旋翼飞行器。为抑制翼臂振动对加速度计信号的干扰,提出滑动平均滤波对其进行处理。考虑到成本和飞行器的结构特点,设计了基于双处理器的硬件电路,以实现飞行器的稳定悬停。试验结果表明:滤波后的加速度计信号波动范围仅为±0.2 m/s2,且滞后很小;基于双处理器的卡尔曼姿态融合算法的动态性和稳定性良好,低空悬停和高空悬停时,飞行器姿态角的波动范围分别是±0.5°和±1°,满足悬停要求,且当受到较大干扰时,仅需0.4 s飞行器便能重新保持悬停状态。     

基于STM32的四旋翼飞行姿态串级控制

对四旋翼飞行器飞行姿态的稳定控制问题进行了分析,设计了基于STM32系列微控制器的稳定控制系统。STM32以ARM Cortex-M3为内核,拥有强大的运算能力,作为四旋翼飞行器的飞行姿态控制器的主控芯片。采用四元素融合滤波算法对陀螺仪和电子罗盘等多传感器采集的数据进行飞行姿态解算。结合串级PID控制算法实现四旋翼飞行姿态控制系统设计。仿真及实验结果表明该控制系统符合设计要求,达到了对四旋翼飞行器飞行姿态稳定控制的目的。验证了基于STM32的串级飞行姿态控制的有效性,为后续研究奠定了基础。     

基于反步滑模法的四旋翼飞行器的轨迹跟踪

研究了四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题。首先根据经典的动力学模型建立惯性坐标系下带有扰动的四旋翼方程。其次将系统划分为姿态子系统和位置子系统,对姿态子系统的轨迹跟踪控制,采用反步控制与滑模控制相结合的方法,根据飞行器的欠驱动和强耦合特性,利用反步控制方法实现位置子系统的轨迹跟踪控制。然后对系统进行稳定性分析。最后通过仿真实验结果验证所提出控制方法的有效性。     

STM32的多传感器融合姿态检测

采用STM32微控制芯片作为主控芯片,搭载MPU6050传感器、HMC5883L磁场传感器,以四旋翼飞行器为平台进行载体姿态检测的实验.对比单一传感器和多传感器姿态检测的实验结果,结果表明:基于多传感器融合的姿态检测能弥补单一传感器检测姿态的不足,提高姿态信息的精确性.     

四旋翼飞行器反演滑模控制器的设计与仿真

针对当前四旋翼控制器姿态环与位置环强耦合和控制系统欠驱动问题,提出基于反演控制和滑模控制的非线性系统控制方法。通过对四旋翼飞行器动力学原理的分析,系统姿态环采用滑模变结构控制方法,利用指数趋近律减少该方法中存在的抖振现象,为了使飞行器得到稳定控制,系统位置环采用反演控制方法来得到预期效果,达到提高系统鲁棒性的目的。通过李雅普诺夫稳定性分析和在Simulink上搭建系统模型最终得出仿真结果并通过实际飞行实验,证明飞行器的姿态和位置都得到了稳定有效的控制。     

基于视觉伺服的四旋翼飞行器悬停控制

提出了一种基于视觉伺服的四旋翼飞行器悬停控制方法.选取图像矩为特征,利用机载惯性测量单元的数据,通过投影到虚拟成像平面上以简化由飞行器线运动和角运动耦合所导致的雅克比矩阵的复杂结构.进而结合四旋翼飞行器的动力学模型,建立视觉伺服的动力学模型,在近似线性化的基础上,采用反步法设计控制器实现飞行器的悬停控制.最后通过实验验证了该方法的有效性.     

低成本传感器的组合导航数据采集方法研究

为了解决得到当前四旋翼精确的姿态、位置,同时控制四旋翼的成本,提出了一种基于低成本传感器采集数据的方法。采用STM32作为主控芯片,通过IIC搭载多个传感器与GPS接收机进行数据采集实验的方法。得到的数据与实际情况相符合的结果。结果表明所用方法正确,利用GPS得到的位置信息、航向等数据可以在日后的分析上辅助其他惯性器件的数据进行组合,以得出更精确的姿态信息与位置信息。     

基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制

针对存在扰动因素影响下的四旋翼飞行器姿态控制问题,设计一种基于趋近律滑模的四旋翼飞行器姿态控制器.首先,通过对螺旋桨的受力分析建立四旋翼飞行器的动力学系统模型.然后,为了实现系统姿态的稳定跟踪控制,采用趋近律滑模控制方法设计控制器,同时应用Lyapunov稳定性分析方法对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,通过数值仿真验证了所设计控制方法的有效性.     

基于多传感器数据融合的四旋翼飞行器的姿态解算

 用于农田信息采集的四旋翼飞行器姿态解算过程中,存在姿态角测量不够准确这一难题。选择基于加速度计、电子罗盘与陀螺仪的捷联式惯性测量系统,采用卡尔曼滤波算法,通过融合多个传感器的测量数据,解算出高精度的姿态角。为验证卡尔曼滤波算法的有效性和实用性,搭建了四旋翼飞行器姿态检测实验平台。结果表明,经卡尔曼滤波算法处理之后的姿态角动态响应好,解算精度高,其最大跟踪误差控制在±1.5°以内,消除了由加速度计或电子罗盘带来的测量白噪声,也有效抑制了陀螺仪的温度漂移,满足四旋翼飞行器对姿态解算精度的要求。     

“复杂空域环境下多飞行器协同机动理论与方法”2013年度报告

在多飞行器航迹动态协同规划方法方面,已经初步完成飞行器自主控制与机动调控飞行演示系统和微型无人旋翼飞行器(直升机、四旋翼)的实验平台。在环境和飞行轨迹给定的条件下,该系统可以演示多飞行器的航迹规划效果。在此基础上提出了一些约束条件下多飞行器航迹动态协同规划方法,以满足低空复杂飞行的需求     

基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量

针对在四旋翼飞行器姿态控制中传感器数据存在噪声干扰和测量误差,以致单独使用陀螺仪与加速度计不能得到最优姿态角度的问题,建立陀螺仪和加速度计误差的数学模型,采用卡尔曼滤波方法,实现数据融合,有效地提高了姿态检测系统的检测精度.该方法被成功应用于四旋翼飞行器的飞行姿态角度控制中,验证了其良好的噪声抑制能力,提高了系统对环境变化的适应性.     

基于反推法的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制

研究了四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制.针对建立的四旋翼飞行器位置及姿态误差动力学模型,采用反推法设计镇定控制项,分别进行位置控制器设计和姿态控制器设计.利用Lyapunov理论证明了闭环系统的稳定性.数值仿真实验结果表明,所提方法具有较好的跟踪性能.