微小型四轴四轴飞行器因其机动灵活、机械结构简单、性价比较高等特点,逐渐成为四轴飞行器领域中的研究热点。在对微小型四轴四轴飞行器进行设计时,一个稳定的嵌入式飞行控制系统是实现其稳定飞行的重要因素。纵观目前大部分的开源飞行控制系统,其硬件设计大多采用的是主控MCU外接独立无线通信模块的模式,这样的设计虽然提升了拓展性,但却不利于飞行控制板的小型化与微型化,两者间不稳定的连接方式也降低了系统的鲁棒性;同时其系统的整体飞行稳定性不高,一般不具备高度控制功能或是定高精度不足以满足一些特定任务的需求。针对这些问题,本文提出一种以CC3200这款集成Wi-Fi无线通信功能的单芯片微控制器作为主控芯片,采用改进的滤波融合算法进行传感器数据融合,利用超声波传感器实现高度控制的飞行控制系统方案。此方案提高了飞行控制板的集成度与稳定性,减小了飞行控制板的体积,同时提高了四轴四轴飞行器的飞行稳定性并实现了较高精度的定高悬停功能。本文的主要研究及设计内容如下:1.在了解微小型四轴四轴飞行器组成结构的基础上,对其飞行控制原理及相关算法进行了深入分析,并根据实际应用中存在的问题对现有算法进行了改进,提出了基于互补滤波及Mahony滤波的传感器数据滤波融合方法;接着研究了 PID控制算法在微小型四轴四轴飞行器飞行姿态控制中的应用,完成了相应控制系统的设计。2.以CC3200为控制核心,设计了微小型四轴四轴飞行器的硬件系统。内容包括硬件总体框架设计、飞行控制板硬件电路的设计及其他硬件部件的选型。3.根据系统需求,设计了此微小型四轴四轴飞行器的软件系统,完成了飞行控制板底层驱动构件及功能软件、PC端调试软件及手机端Android遥控App软件的设计。4.在完成硬件电路焊接测试、整机组装及控制算法的参数调试后,进行了整机实地飞行对比测试,给出测试数据分析及测试结论,并对整机测试中出现的典型问题及解决方案进行了阐述。飞行测试结果表明所设计的基于CC3200的微小型四轴四轴飞行器已能够实现受控的稳定飞行及定高悬停功能,可作为实验平台进行后续进一步的研究。
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