四旋翼无人飞行器实验平台设计及姿态控制研究

为了实现四旋翼无人飞行器姿态的稳定控制并验证控制算法的性能,设计了一种可用于四旋翼无人飞行器姿态控制算法研究及控制性能测试的物理实验平台。首先,利用牛顿-欧拉法建立了四旋翼无人飞行器的六自由度动力学模型;其次,对姿态传感器数据进行融合,利用互补滤波算法实现对四旋翼飞行器姿态进行快速准确解算;然后,在MATLAB环境下搭建了四旋翼飞行器仿真模型,并设计改进的PID控制器对飞行姿态进行了仿真;最后,搭建了一个四旋翼无人飞行器姿态控制的物理实验平台,进行了飞行器姿态控制算法的性能测试。实验结果表明了四旋翼无人飞行器实验平台设计的合理性和正确性,是一种快速有效的飞行器姿态控制算法性能测试实验平台。     

语音控制的四旋翼飞行器设计与实现

基于语音识别技术,设计了一套语音远程控制四旋翼飞行器的系统。使用LD3320语音处理芯片和STM32微处理器实现语音识别功能,采用NRF24L01将识别结果传输到飞行器。选用STM32作为四旋翼飞行器的主控芯片,采用六轴运动组件MPU6050、三轴数字罗盘HMC5583L等传感器对飞行器的姿态进行实时测量,再利用数字滤波器对姿态信息进行处理,然后采用四元数进行姿态解算,最后运用双闭环PID控制算法实现姿态控制的要求。测试结果表明,通过语音可以控制四旋翼的正常飞行及姿态变化,系统稳定可靠。     

四旋翼无人飞行器姿态数据采集处理系统

针对机械振动等因素产生的噪声对加速度传感器测量姿态数据的影响,增加了陀螺仪并运用卡尔曼滤波对加速度传感器和陀螺仪的数据进行融合处理;与以往均值和中值等滤波姿态算法相比,采用卡尔曼滤波算法能够获得可靠、稳定的姿态数据,为四旋翼无人飞行器稳定飞行提供有效保障;介绍了姿态传感器和采集处理系统硬件结构及软件实现,运用图形化编程语言LabView实现对四旋翼无人飞行器实时姿态曲线显示、姿态数据存储、回放等功能;经测试,能有效的降低机械振动等噪声对飞行器姿态测量的影响,提高姿态数据估计的精度,达到了预期的目标。     

基于激光雷达的多旋翼飞行器实时避障系统

针对多旋翼飞行器的障碍物规避问题,提出一种基于激光雷达的自主飞行多旋翼飞行器避障系统,实现多旋翼飞行器自主飞行的实时避障;该避障系统针对静态、低速运动障碍物,综合飞行器本体姿态、速度、加速度等状态信息,建立基于改进势场法的避障模型和算法;在机器人操作系统(ROS,Robot Operating System)平台进行该避障系统的软件实现,其通过串口与飞控进行通信,完成多旋翼飞行器的自主避障飞行;同时,为了使该系统能在强光环境正常工作,在不影响系统实时性的前提下,对激光雷达的干扰问题进行优化设计;大量实验表明:该避障算法计算量小,能够保证避障系统的实时性,在机体慢速以及低速运动(机体与障碍物之间的相对运动速度小于等于3 m/s)的场景中能够正确检测范围6 m内,并迅速规避障碍物。     

四旋翼飞行器的自主巡航控制系统设计

针对四旋翼飞行器为六自由度,四控制量的欠驱动系统,将四旋翼飞行控制系统简化为姿态子系统和位置子系统,采用MIMU(微惯性测量组合)及GPS融合的导航方法,采用PID飞行控制策略,实现了利用地面站软件加载数字地图并进行自主巡航。     

基于ARM的四旋翼姿态控制器设计

四旋翼姿态控制器采用集成了加速度计和陀螺仪的惯性测量单元,实时采集姿态数据,传输给Cortex-M4内核的处理芯片,利用四元数姿态解算方法,对加速度和角速度数据融合解算处理。采用位置式PID控制算法,控制四个无刷电机的转速,实现控制四旋翼飞行器的飞行姿态。建立万向云台调试系统,通过实践调试验证该控制器能实现控制四旋翼姿态的稳定性。稳定飞行时,姿态角的平均振荡范围为5度。     

一种面向智能仪器的可重构嵌入式彩色LCD系统设计

按照使用方便、配置灵活、适用面广的特点要求,论证了一种以LPC1788为显示控制器并面向智能仪器的LCD彩色图像图形显示系统的设计方案;首先分析了智能仪器图像图形显示系统的特点和要求;然后给出设计思路和总体方案;接着逐项讨论嵌入式图形显示控制器、显示数据的信息传输与变换、LCD面板接口以及显示数据源所用显示API函数库等系统软硬件的设计与实现;最后采用115200的波特率从外部向显示系统发送显示命令对系统进行实际测试并给出了最终的的实验结果;实验结果表明所设计的显示系统满足普通智能仪器的使用需求。     

基于ARX模型四旋翼飞行器的LQR控制方法

四旋翼飞行器飞行过程中具有非线性和强耦合性,导致难以建立精确的物理力学模型,针对这个难题,提出了基于多个ARX模型四旋翼飞行器的LQR控制器设计方法。ARX模型全称是带外生变量的自回归模型,LQR控制器一种基于局部线性化模型的无限时域预测控制器。该法首先基于四旋翼飞行器的动力学特性构建四旋翼飞行器多个ARX的模型结构,并利用结构化非线性参数优化方法辨识模型参数,获取满足工程精度需求的四旋翼非线性动态模型。然后,基于该模型给出了具有状态反馈的LQR控制器设计方法,并通过求解工作点的Riccati方程,获得状态反馈     

基于AFSMC算法的四旋翼飞行器控制策略研究

针对四旋翼飞行器在飞行过程中,控制系统存在非线性、强耦合、不确定性和鲁棒性差的问题,建立了关于四旋翼飞行器的动力学数学模型,将自适应控制、模糊控制和滑模控制相结合,提出基于自适应模糊滑模控制(AFSMC)的快速平稳控制策略。采用模糊系统推理方法实现理想控制律的逼近。在满足李雅普诺夫稳定性条件的前提下进行控制器的设计和稳定性分析,并结合四旋翼的数学模型和给定参数进行了MATLAB仿真。仿真结果表明,AFSMC控制器相比常规PID控制器具有良好的动态性能和抗干扰能力。     

基于自适应单神经元PID的四旋翼飞行控制研究

针对传统增量式PID控制算法在四旋翼飞行器的姿态控制中自整定参数不足的缺点,提出了一种改进的自适应单神经元PID控制算法,该算法在单神经元加权系数调整的基础上引入PSD自适应控制方法,增加了对比例系数的自适应调整;通过建立四旋翼飞行器的动力学模型和飞行试验平台对该改进算法进行仿真验证;仿真结果表明,采用自适应单神经元PID算法的控制器结构简单且响应速度快,精度高,具有更高的鲁棒性和自适应能力,能有效的实现四旋翼飞行器姿态的稳定控制。     

飞参系统实时监视技术研究

针对飞机研制阶段各系统交联试验时故障定位慢、检查测试手段匮乏的问题,设计了飞参系统的实时监视功能。飞参系统中的机载设备与地面设备通过以太网进行数据交互,实现飞机状态的实时监视。分析了实时监视功能的作用与优势,并从某型飞参系统功能需求出发,阐述了机载设备的硬件配置及软件架构。基于UDP通信协议,提出了一种机载设备与地面设备交互的数据收发策略。该策略通过地面设备控制数据通信周期,机载设备采集的数据按周期发送给地面设备还原显示,实现了飞行数据的一边记录一边监视。实际应用表明,飞参系统的实时监视功能丰富了试验测试手段,提高了各个系统试验效率,实现了对飞机实时状态的监测,为航前快速检测技术的发展奠定了基础,具有很高的工程实用价值。     

基于TDMA多目标遥测数据传输系统设计与实现

遥测监控是新机试飞提高试飞效率、保障试飞安全的重要手段,遥测数据的传输能力和传输质量决定了遥测实时监控性能的优劣。随着大量飞机同场次试飞任务的广泛开展,现有飞行试验单站点对应单目标的遥测体制存在一定的局限性,为了解决多个目标同时遥测数据传输的难题,本文在对常用的几种多目标体制进行了比较的基础上,设计了一套基于TDMA体制的多目标遥测数据传输系统,对该系统数据的传输速率、距离进行了理论计算,并进行了飞行试验验证,能够满足任务需求,有着很好的应用前景。     

基于贝叶斯决策的电传飞控系统状态监测与健康管理

针对飞控系统早期故障信号的微弱性和不易检测性,提出了一种基于贝叶斯决策的飞控系统状态监测和健康管理新算法;采用最大似然估计法对故障特征向量概率密度函数进行参数估计,监测飞控系统故障特征概率密度分布相对于正常状态的偏离,将不易检测的故障信号转化为容易观测到的偏离信息,实现飞控系统状态的健康评估;以某型电液伺服作动器为例,采用上述方法对其进行状态监测和健康管理,仿真结果证明了该方法的可行性和有效性。     

多旋翼无人机地面控制站软件系统设计与开发

针对多旋翼无人机自主飞行实时监控需求,开发了一套完整的多旋翼无人机地面控制站软件系统。根据多旋翼无人机地面控制站软件总体设计分析,基于功能模块化思想,分别设计并实现了飞行监控、飞行任务管理、二维与三维结合的导航电子地图以及数据库技术等功能,为无人机的实时监控提供了有力保障。地面控制站软件系统的三个用户主界面简约美观,能够实时切换,便于地面操作员对无人机的飞行监管。最后,通过某型多旋翼无人机的飞行作业,对地面控制站软件系统进行了全方位测试。实验测试有效地证实了该地面控制站软件系统具有完善的监控功能,操作简便,完全满足无人机地面控制站需求,已经作为标配软件提供给用户使用。     

基于ADS-B飞行安全实时监控及半物理测试平台

针对现有飞行安全监控体系中ACARS报文航迹点数量稀疏、分布不均匀、时延长,提出基于ADS-B技术实现实时、不间断飞行安全监控。首先,建立了基于ADS-B实时飞行安全监控体系架构,对飞行过程中存在的误操作进行实时检测并告警;然后,本着实用、可靠的原则,利用现有的计算机辅助软件,建立了ADS-B实时飞行安全半物理测试平台;最后,基于该平台建立了设计实时飞行安全监控系统的工程化、规范化流程。     

舰基遥测综合解调控制系统设计

遥测实时监控是保障试飞安全、提高试飞效率的重要手段。针对舰上特殊的试飞环境限制,现有遥测系统不能适应其任务需求,为完成某型号飞机舰上试飞任务,需要对现有遥测接收系统进行改进,以应对特殊试飞科目下对遥测信号的需求。采用跟踪接收机模块,并开发相应的解调模块,对系统设备进行远程控制解决了远距离数据传输的信号衰减问题;对遥测系统的自动温度控制大大提高了系统设备的环境适应性;通过接口转换实现模拟图像的网络输出、接收机模块和天线的网络串口转换,简化了信号接口类型,降低了信号传输的难度;从而实现小型化的舰基遥测综合解调控制系统设计。     

站点式飞行试验实时监控软件平台研究

飞行试验实时监控软件平台的运行效率直接影响着飞行试验过程管理的高效性。在实时数据解算服务器的基础上,配置站点服务器及DNS服务器,构建站点式飞行试验实时监控软件平台,利用交互式页面设计及网络数据库管理技术,提高实时监控软件平台的管理及维护效率,改善监控软件的用户交互模式。实现了监控组件在站点式软件平台下“访问部署、链接监控”的目的,从而简化了飞行试验监控工作环节,有助于缩短型号科目试飞周期。     

基于Android的综合航电数据监控平台的研制

为实现对某型综合航电系统进行地面在线监控,研制了一款基于嵌入式的数据监控平台.本平台采用Arm处理器,通过以太数据方式,采集航电系统中一系列飞行参数,按照算法进行分析和处理,最终实现了对综合航电系统的工作状态监控.在硬件设计基础上,开发了Android系统下的测试设备驱动及相应应用程序.从工程应用结果表明,该平台能够实现综合航电系统状态的定期检测以及组件故障判断.     

基于飞行载荷的大数据实测方法研究

飞行载荷实测是全面、定量评定飞机结构强度的必要环节,在飞行试验中起着至关重要的作用。传统的有人机、小型机载荷标定需要评测的参数仅需要数十个或几十个关键参数,实时采集系统通道量较小,实时监控系统服务器压力较小。随着航空工业的飞速发展,大型机、无人机等需要评定的参数量急速上升到数百个,而采集通道成为瓶颈,传统的测量方法难以满足需求。针对飞行载荷实测的海量参数难以测试问题,文章提出了一种通道复用的方案,良好的解决了海量数据难以实时测量问题。经验证,该方案可良好的运用在各种型号的飞行载荷海量数据实测中。     

消息重复型ARINC429总线事件消息包机载实时处理技术研究

ARINC429总线广泛应用于民用飞机中,在飞行试验中,消息重复型ARINC429事件信息的实时监控占用很大的遥测带宽资源;采用机载嵌入式数据处理模块,通过将其嵌入到机载测试系统中,通过采集器底板总线获取ARINC429采集模块采集到的数据,对飞机事件信息进行解析处理,并将处理结果通过遥测系统遥测下传至地面监控中心,大大降低了遥测带宽需求,对于飞行试验实时安全监控有重要意义。