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最经典的四旋翼飞行器设计案例

导读: 如果想达到较好的控制效果,PID算法是必不可少的。

  一项目可行性分析

  背景分析:

  无人飞行器自主飞行技术多年来一直是航空领域研究的热点,并且在实际应用中存在大量的需求,主要优点包括:系统制造成本低,在执行任务时人员伤害小,具有优良的操控性和灵活性等。而旋翼式飞行器与固定翼飞行器相比,其优势还包括:飞行器起飞和降落所需空间少,在障碍物密集环境下的可控性强,以及飞行器姿态保持能力高。小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比,其优势在于其机械结构较为简单,并且只需通过改变四个马达的转速即可实现控制,且飞行机动能力更加灵活。另一方面,小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能,并具有在小区域范围内起飞,盘旋,飞行,着陆的能力。

  因此我们根据四旋翼飞行器的特点,提出了一种数字式飞行控制系统的总体结构。飞行控制计算机是四旋翼飞行器自动驾驶仪的基本组成部件。采用模块化设计思想,设计开发一种基于PIC32高性能单片机为核心的飞行控制计算机。四旋翼飞行器采用对称分布的结构形式,建立非线性数学模型。通过引入四个控制量,把非线性模型分解并线性化,得出悬停状态下四旋翼飞行器简化的线性模型,采用经典的PID控制方法,并对数字仿真结果进行分析,验证控制方案的可行性;同时,制作四旋翼飞行器的结构外形和以传感器、飞行控制计算机、执行机构为核心的主体硬件,在硬件和软件上都要实行其基本功能。

  二项目内容

  本项目研究四轴飞行器,实现飞行、采样、数据传输等功能。所涉及到的技术很多,主要有:软件算法、微电子、模拟电子技术、机电一体化和自动控制理论等。所以,项目小组将其分析这个部分,一一攻克。

  飞行控制系统理论分析,建立数学模型,硬件选型及原理设计

  在研究四旋翼飞行器控制算法之前,首先必须建立飞行器系统的动力学模型。在本章中,首先介绍建模的基本方法:选取影响飞行器运动的关键受力和力矩,再根据相应的物理定律建立飞行器的动力学方程。然后在得到四旋翼飞行器的动力学方程之后,适当的选取控制量,运用控制理论中经典的PID控制算法。对飞行器系统进行控制。

  2.软件编程,同时进行硬件搭建

最经典的四旋翼飞行器设计案例

  考虑到现实实验室的条件,实用采用以下的硬件方面采用PIC32做航姿校正控制核心,DsPIC30F4013做电机控制,PIC18F45K20做超声测距进行高度保持,nRF2401做数据传输,加速度传感器MMA7260。图1就是该系统框图。

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