小型無人直升機(jī)姿態(tài)及飛控系統(tǒng)研究.pdf

1、小型無人直升機(jī)具有垂直起飛和著陸、自由懸停和快速轉(zhuǎn)向等特性，同時(shí)，具有振顫小、噪聲小，可靠性較高等特點(diǎn)，使小型無人直升機(jī)成為一種理想的無人飛行器。而小型無人直升機(jī)的姿態(tài)確定方法一直是工程應(yīng)用研究中的熱點(diǎn)。目前，全球定位系統(tǒng)（GPS）、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）是獲取載體姿態(tài)信息的兩大重要技術(shù)，利用 GPS和INS進(jìn)行載體姿態(tài)測(cè)量是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。
　　本文在分析和借鑒國內(nèi)外對(duì)小型無人直升機(jī)系統(tǒng)研究情況基礎(chǔ)上，對(duì)小型無人直升機(jī)飛控

2、系統(tǒng)的構(gòu)成及其特性進(jìn)行了研究，提出了一種以ARM處理器為核心、MCU芯片為輔助控制器件的飛行控制系統(tǒng)方案。姿態(tài)傳感器是整個(gè)飛控系統(tǒng)的核心部件，在進(jìn)行常用的幾款微機(jī)電系統(tǒng)姿態(tài)傳感器分析對(duì)比后，綜合考慮小型無人直升機(jī)搭載負(fù)載能力較弱及姿態(tài)傳感器靈敏度、頻率響應(yīng)等情況選擇適應(yīng)本系統(tǒng)的姿態(tài)傳感器。小型無人直升機(jī)系統(tǒng)是按模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了電源模塊、氣壓高度計(jì)模塊、姿態(tài)傳感器模塊、GPS模塊等。同時(shí)，對(duì)氣壓高度計(jì)、姿態(tài)傳感器、GPS等模

3、塊進(jìn)行了測(cè)試。
　　為了得到高性能的姿態(tài)參考系統(tǒng)，本文在分析和研究歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法三種姿態(tài)算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合本課題實(shí)際要求，選擇四元數(shù)法作為本文姿態(tài)算法。首先，在小型無人直升機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，通過陀螺儀采集其角速率信息，在MATLAB環(huán)境下，結(jié)合四階龍格庫塔法和四元數(shù)法解算小型無人直升機(jī)姿態(tài)，獲得靜態(tài)下姿態(tài)角誤差圖。其次，對(duì)機(jī)載慣性傳感器信息融合進(jìn)行研究，融合的主要思想是：通過陀螺儀獲得載體的預(yù)估姿態(tài)，利用加速度計(jì)和磁力

4、計(jì)獲得的姿態(tài)作為觀測(cè)值來糾正陀螺儀因隨機(jī)漂移等原因引起的誤差，從而獲得載體的最優(yōu)姿態(tài)信息。同樣，在靜態(tài)下，通過慣性傳感器信息融合獲得小型無人直升機(jī)的姿態(tài)信息，與只由陀螺儀獲得的姿態(tài)信息對(duì)比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)融合的姿態(tài)信息明顯優(yōu)于單獨(dú)使用陀螺儀獲得的姿態(tài)信息。
　　利用GPS技術(shù)測(cè)姿分單天線GPS測(cè)姿系統(tǒng)和多天線GPS測(cè)姿系統(tǒng)，但是小型無人直升機(jī)由于橫向尺寸不足以安裝多天線 GPS系統(tǒng)等原因，限制了其在小型無人直升機(jī)上的應(yīng)用。本文在最后推導(dǎo)了