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分析飞行器具有公共安全功能四旋翼飞行器

收藏本文 2024-01-11 点赞:31973 浏览:145929 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:传统的人工巡查、救援,具有很多缺点,例如工作效率低,容易延误最佳救援时机;由于人的视野限制,无法做到宏观的大范围巡查;救援历程中,施救者容易受到伤害等。具有公共安全功能的四旋翼飞行器可以很好的克服这些缺点。四旋翼飞行器不仅具有自动化水平高,适用范围广的优势,其垂直升降和稳定悬停的特点还克服了大型救灾直升机起降要求高、悬停技术难度高且稳定性低的缺点。另外,其成本低廉操作简便的优势,也为这种设备在全国范围内推广提供了可能性。本论文针对公共安全领域的需求,在国内外四旋翼飞行器探讨的基础上,设计研制出一种具有航拍、避障、坐标标定等公共安全功能的四旋翼飞行器。本论文主要完成了以下几方面的工作:(1)本论文首先根据具有公共安全功能的四旋翼飞行器的实际工作特点,确定了重量轻、强度高的机械设计总体原则,并借鉴国内外探讨成果,设计了四旋翼飞行器的机械结构,并加工出原型样机。(2)制约算法探讨方面,四旋翼飞行器是一个欠驱动系统,具有六自由度和四个制约输入。另外,非线性、变量多、耦合性强和对干扰较为敏感也是其重要特性,这都增加了制约算法探讨的难度。为实现对四旋翼飞行器的有效制约,本论文根据四旋翼飞行器自身特点,准确建立其在飞行状态下的动力学模型。然后针对其运动特点进行PID制约的探讨,并根据所设计的四旋翼飞行器实验机获得边界条件,最终确定PID制约参数。最后,运用Matlab/Simupnk工具对其仿真浅析,仿真结果表明,系统超调量较小,稳态误差几乎为零,响应速度较快,系统仿真验证了PID制约的有效性。(3)飞行制约系统的设计方面,本论文设计了基于ATmega644的飞行制约系统。飞行制约系统硬件包括电源转换模块、传感器模块、电机制约模块、无线通信模块、异步串行通信模块等部分。软件部分,根据四旋翼飞行器的动作特点设计了运动制约程序,并给出了运动制约程序以及飞行制约主程序的流程图。(4)公共安全功能的设计方面,本论文设计了航拍功能、避障功能、导航功能,并给出了各个功能模块的软硬件设计。(5)飞行实验部分,垂直飞行实验和六自由度飞行实验的结果表明,PID制约策略可以有效的完成对四旋翼飞行器的飞行制约,也证明基于ATmega644的飞行制约系统具有良好的稳定性。功能性实验结果证明,四旋翼飞行器基本可以达到本课题提出的公共安全任务的要求。关键词:四旋翼飞行器论文公共安全论文PID制约论文ATmega644论文

    致谢5-6

    摘要6-8

    Abstract8-10

    目次10-13

    图清单13-16

    附表清单16-17

    1 绪论17-27

    1.1 课题的背景与作用17-21

    1.1.1 课题的背景17-20

    1.1.2 课题的作用20-21

    1.2 课题的探讨近况21-25

    1.2.1 国外探讨近况21-24

    1.2.2 国内探讨近况24-25

    1.3 本论文的主要内容25-26

    1.4 本章小结26-27

    2 四旋翼飞行器的总体设计27-32

    2.1 实验机机械结构简述27-28

    2.2 制约系统的总体设计案例28-31

    2.2.1 设计目标28-29

    2.2.2 飞行制约系统的总体结构29-30

    2.2.3 飞行制约系统的设计步骤30-31

    2.3 本章小结31-32

    3 四旋翼飞行器的动力学模型及PID制约32-44

    3.1 四旋翼飞行器的动力学模型32-37

    3.2 PID制约策略37-39

    3.3 Matlab/Simupnk仿真39-43

    3.4 本章小结43-44

    4 四旋翼飞行器飞行制约系统硬件设计与浅析44-61

    4.1 引言44-45

    4.2 制约系统硬件总体结构45

    4.3 中心制约模块45-48

    4.3.1 中心制约模块选用依据45-46

    4.3.2 ATmega644微制约器介绍46

    4.3.3 ATmega644微制约器的最小系统46-48

    4.4 传感器模块48-52

    4.4.1 加速度计49-50

    4.4.2 角速率陀螺仪50-51

    4.4.3 传感器模块电路设计51-52

    4.5 电机制约模块52-54

    4.5.1 制约信号传输52-54

    4.5.2 电子调速器54

    4.6 无线通信模块54-56

    4.7电源模块56-58

    4.8 异步串行通信模块58-59

    4.9 PCB布局排版及其注意事项59-60

    4.9.1 PCB布局排版及其注意事项59-60

    4.9.2 印刷电路板的抗干扰法60

    4.10 本章小结60-61

    5 四旋翼飞行器制约系统的软件的设计与实现61-68

    5.1 引言61

    5.2 飞行制约系统的软件总体设计61-66

    5.2.1 运动制约软件设计61-64

    5.2.2 飞行制约系统的软件总体结构64-66

    5.3 上位机制约界面介绍66-67

    5.4 本章小结67-68

    6 公共安全功能的设计与实现68-78

    6.1 航拍功能的实现68-70

    6.2 避障功能的实现70-72

    6.3 导航功能的实现72-77

    6.3.1 导航系统硬件73-75

    6.3.2 导航系统软件75-77

    6.4 本章小结77-78

    7 实验结果与综合评价78-86

    7.1 垂直飞行实验78-80

    7.2 六自由度飞行实验80-82

    7.3 航拍实验82-84

    7.4 避障实验84-85

    7.5 本章小结85-86

    8 结论与展望86-88

    8.1 结论86-87

    8.2 展望87-88

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