小型无人搜救飞艇的控制系统研究

论文摘要

无人飞艇是依靠空气浮力原理升空的、通过推进装置可操纵机动飞行的一种轻于空气的无人航空器。无人飞艇具有优良的飞行特性、低廉的维护费用、超长的续航时间、良好的安全性以及低功耗、低噪声、环保无污染等诸多优点,成为现有侦察卫星和无人机之外的一个重要补充,引起了世界上各个国家的重视。无人飞艇作为新兴的无人航空器无论在国防领域还是国民经济领域都有着很高的应用价值,尤其在当前的空中搜救领域更是潜力巨大,因此迫切需要加强小型无人飞艇在空中搜救领域的研究。本论文以小型无人飞艇为研究对象,简单介绍了飞艇的结构和飞行原理,综合比较了国内外的研究现状,研究并建立了无人飞艇的数学模型,在此基础上对小型无人飞艇的硬件系统和软件系统的设计进行了研究。首先根据本文小型无人飞艇的结构特性进行力学分析,通过运动学和动力学分析得出小型无人飞艇的运动方程并进一步建立飞艇的六自由度数学模型。然后进行小型无人搜救飞艇的总体方案设计,硬件系统部分采用AVR Mega8作为飞行控制系统核心,对数据采集处理、无线通信、驱动等其他模块进行了电路设计；软件系统部分采用模块化设计,按不同功能划分了各个模块并对各个模块分别进行了软件流程设计。在论文的最后使用PID控制算法对无人飞艇的控制律进行了研究,设计了无人飞艇的俯仰和偏航两种姿态的控制律,并利用MATLAB进行了控制律的仿真,验证了系统方案的可行性。本文的重点在于研究并设计了一个无人搜救飞艇的控制系统,从理论上验证了该系统的可行性,对小型无人飞艇在空中搜救领域的应用进行了初步的探索。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究内容及主要工作安排
• 1.4 本章小结
• 2 飞艇数学模型构建简介
• 2.1 飞艇组成结构简介
• 2.2 飞艇飞行原理简介
• 2.3 飞艇坐标的定义
• 2.4 飞艇受力分析
• 2.5 飞艇运动学方程构建
• 2.6 飞艇动力学方程构建
• 2.7 飞艇运动方程构建
• 2.8 本章小结
• 3 飞艇飞行控制系统总体方案设计
• 3.1 飞行控制系统需求分析
• 3.2 飞行控制系统总体结构设计
• 3.3 飞行控制系统工作原理简介
• 3.4 本章小结
• 4 飞艇飞行控制系统电路设计
• 4.1 高度计电路设计
• 4.2 空速计电路设计
• 4.3 加速度计电路设计
• 4.4 角速率陀螺仪电路设计
• 4.5 电子罗盘和GPS模块电路设计
• 4.6 无线通信模块电路设计
• 4.7 舵机和执行器模块设计
• 4.8 飞行控制微处理器模块电路设计
• 4.9 电源调节电路设计
• 4.10 本章小结
• 5 飞艇飞行控制系统软件设计
• 5.1 传感器数据采集模块软件设计
• 5.2 GPS数据采集模块软件设计
• 5.3 电子罗盘数据采集模块软件设计
• 5.4 无线通信模块软件设计
• 5.5 飞行控制微处理器模块软件设计
• 5.6 驱动模块软件设计
• 5.7 本章小结
• 6 飞艇控制律设计与仿真
• 6.1 飞行姿态控制系统设计原理
• 6.2 飞行俯仰姿态控制系统
• 6.3 飞行偏航姿态控制系统
• 6.4 飞艇姿态控制器设计和仿真
• 6.5 本章小结
• 7 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 发表论文与参与科研项目说明
• 附录