（计算机应用技术专业论文）the+design+of+an+autopilot+controller+for+an+unmanned+aerial+vehicle.pdf

t h ed e s i g no fa na u t o p i l o tc o n t r o l l e r f o ea nu n m 睑n n e da e r i a lv e h c l e a b s t r a ct t h i st h e s i sd e s c r i b e st h ed e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dt e s t i n go faf u l l y a u t o n o m o u sa n d p r o g r a m m a b l ea u t o p i l o ts y s t e m f o rs m a l ls c a l e a u t o n o m o u su n m a n n e da e r i a lv e h i c l e a l la s p e c t so ft h ea u t o p i l o td e s i g n a r ec o n s i d e r e d ，f r o mm o d e l i n gt of l i g h tt e s t s am a t h e m a t i c a la i r c r a f tm o d e l ，a saf u n c t i o no ft h ea i r c r a f t sp h y s i c a l p a r a m e t e r sa l o n ei sa l s op r e s e n t e d c o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r ec a p a b l eo f r e g u l a t i n gt h em o t i o nv a r i a b l e sr e q u i r e df o rc o n v e n t i o n a lf l i g h tu s i n gl o w c o s t ，o f f - t h e s h e l f s e n s o r si s d e v e l o p e d t h e c o n t r o l l e r d e s i g n c o m p l e m e n t st h ea i r c r a f tm o d e ld e v e l o p m e n tt e c h n i q u eu s e d ，b yr e d u c i n g t h es e n s i t i v i t yo ft h ec o n t r o l l e rp e r f o r m a n c et ot h em o d e la c c u r a c y t h ec o n t r o l l e ri sac u s t o mp c bw i t ha ne m b e d d e dp r o c e s s o r ( a t m e g a16 8 ) c o m b i n e dw i t hc i r c u i t r yt os w i t c hc o n t r o lb e t w e e nt h er c c o n t r o la n dt h ea u t o p i l o tc o n t r 0 1 i tc o n t r o l sn a v i g a t i o na n da l t i t u d eb y c o n t r o l l i n gt h er u d d e ra n dt h r o t t l e i tu s e sf l i g h ts t a b i l i z a t i o ns y s t e m ，a s e n s o rp a c k ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) a n da nr ft r a n s c e i v e rt o m o n i t o ra n dr e p o r tc r u c i a lp a r a m e t e r ss u c ha sa l t i t u d e ，s p e e d ，p i t c h ，r o l l a n dp o s i t i o n a ne m b e d d e ds o f t w a r ea l g o r i t h mh a sb e e nd e v e l o p e dt o e n a b l et h ea e r i a lv e h i c l ea c c o m p l i s ht h er e q u i r e da u t o n o m ya n dm a i n t a i n 星业! 竖望型! 里堕2 1g 垒! 业型旦! 塾2 1 2 型坚呈! 坚：! ：垡壁i ! s a t i s f a c t o r yf l i g h to p e r a t i o n t h ed e s i g no fa e r i a lv i d e os y s t e mi sa l s oo u t l i n e d ，t h ea e r i a lv i d e o s y s t e mi n c l u d e sac a m e r aw h i c hi sl i n k e dt oa10 0 0 mw i r e l e s st r a n s c e i v e r a n dag r o u n db a s e dr e c e i v e r r e s u l t sf r o ms e v e r a ld a y so ff l i g h tt e s t s d e m o n s t r a t et h ed e s i g ns u c c e s s t h er a p i ds u c c e s sc a nl a r g e l yb e a t t r i b u t e dt oe x t e n s i v es i m u l a t i o n so ft h ee n t i r ea u t o p i l o t t h e s ef e a t u r e sa l l o wt h ea u t o p i l o tt ob eo p e r a t e db yaw i d es p e c t r u m o fs k i l l e da n du n s k i l l e du s e r s i n n o v a t i v ec o n t r o lt e c h n i q u e si m p l e m e n t e d i ns o f t w a r e ，c o u p l e dw i t hl i g h tw e i g h t ，r o b u s t ，a n di n e x p e n s i v eh a r d w a r e c o m p o n e n t sw e r eu s e di nt h ed e s i g no f t h ea u t o p i l o t k e yw o r d s ：u a v , m u x ，a u t o p i l o t ，g p s ，f m ac o p i l o t ，g c s u 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：扭! 堕q日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：舳压一u 水位 导师签名： 日期：坠掣竺! 呈! 殳皇： 日期：1 2 ：! 区尘 c h a p t e r ii n t r o d u c t i o na n do v e r v i e w i ib a c k g r o u n d u a 、厂i sa na c r o n y mt h a ts t a n d sf o ru n m a n n e da c r i a l 喊c l e t h eu n m a n n e d a e r i a l 出i c l ei sb a s i c a l l ya n na i r c r a f tt 1 1 a th a sn op i l o to n b o a r d u a v sc a nb e m a n u a l l yc o n t r o l l e do rt h ec a nf l ya u t o n o m o u s l y f i y i n ga u t o n o m o u s l yi n v o l v e st h e u s eo fa na u t o p i l o ta n dw a y p o i n t st h a th a v eb e e np r e - p r o g r a m m e d u n m a n n e da e r i a l v e h i c l e sh a v eb e e nu s e df o rv a r i o u sm i s s i o n s ，a e r i a l m a p p i n g , r e c o n n a i s s a n c e ， r e a l - t i m ev i d e oa n dc o m b a tm i s s i o n s u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e sc a nb eb r o a d l yc a t e g o r i z e di n t om a n yb r o a dd i v i s i o n s b a s e do nr o l e ，s h a p ea n dp u r p o s e u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e sc a nb ed i v i d e di n t o c i v i l i a na n dm i l i t a r yu 斟s 。t h e v 斟sc a nb ed e p l o y e df o r t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n s ： 1 ) r e m o t es e n s i n g ：t h er e m o t es e n s i n gf u n c t i o n so ft h eu a vi n c l u d e e l e c t r o m a g n e t i cs e n s o r s ，b i o l o g i c a ls e n s o r sa n dc h e m i c a ls e n s o r s 2 ) t r a n s p o r t ：u a v sc a l lb eu s e da st r a n s p o r tv e h i c l e ；i tc a nb eu s e dt oc o n v e yg o o d s f r o mo n ep o i n tt ot h eo t h e r m o s tp a y l o a d sa r es t o r e di na ni n t e r n a lp a y l o a db a y s o m e w h e r ei nt h ea i r f r a m e 3 ) s c i e n t i f i cr e s e a r c h ：u a 、，sc a nb eu s e df o rr e s e a r c hp u r p o s e s m o s ts c i e n t i f i cd a t a c o u l db et o od a n g e r o u st oc o l l e c th e n c eau 斟c a nb eu s e dt oc o l l e c ts u c hd 钺钆 t h en a t i o n a lo c e a n i ca n da t m o s p h e r i ca d m m i s t r a t i o nh a sb e e nu s i n ga n u n m a n n e da e r i a lv e h i c l ea sah u r r i c a n eh u n t e r 4 ) p r e c i s i o ns t r i k e s ：t h em a j o rf u n c t i o no fam i l i t a r yu a 厂i si t su s ef o rp r e c i s i o n s t r i k e s u n m a n n e da e r i a lv e h i c l ec a nb ea r m e dw i t hm i s s i l e sf o rc o m b a tm i s s i o n s t h em q - 1p r e d a t o ru a v sa r m e dw i n lh e l l f i r em i s s i l e sa r en o wu s e d 嬲p l a t f o r m s f o rh i t t i n gg r o u n dt a r g e t si ns e n s i t i v ea r e a s 5 ) s e a r c ha n dr e s c u e ：u a v sc 锄b eu s e di ns e a r c ha n dr 豁t , - q l eo p e r a t i o n s f o r e x a m p l e ，p r e d a t o r so p e r a t i n g 18 ，0 0 0 2 9 ，0 0 0f e e ta b o v es e al e v e l ，p e r f o r m e d s e a r c ha n dr e s c u ea n dd a m a g ea s s e s s m e n t p a y l o a d sc a r r i e dw e r ea no p t i c a l s e n s o r 1 2a d v f u q c e si na u t o p i l o tc o n t r o ld e s i g nf o ru a v u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e sa n da u t o p i l o tc o n t r o l l e rf o rt h e mh a v eb e e nr e s e a r c h e d a n dd e v e l o p e df o rs e v e r a ly e a r s m i l i t a r yu a v sa r et h em o s ta d v a n c e di nt h i sf o r mo f r e s e a r c h t h eg o v e r n m e n ti sw i l l i n gt of u n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t h o w e v e r t h el l s eo fu a v si nn o n m i l i t a r ya p p l i c a t i o n si sc u r r e n t l yl i m i t e df o rr e a s o n so fc o s t s a f e t y , a n ds p e c i a lr e q u i r e m e n t s c u r r e n t l yt h e r ea r en of u l l ya u t o n o m o u so p e r a t i o n a l u a 、厂sa v a i l a b l ew i t hw i n g s p a n sl e s st h a n2f e e tt oc a r r ya na u t o p i l o ta n dp a y l o a d b c l e wi sab r i e fd e s c r i p t i o no fa d v a n c e si nt h i sf i e l d ： b e i j i n gu n i v e r s i t yo fc h e m i c a lt e c h n o l o g ym a s t e r st h e s i s 1 ) i n19 9 9t h en a v a lp o s t g r a d u a t es c h o o lc o m p l e t e dt h ed e v e l o p m e n to far a p i dt e s t p r o t o t y p i n gs y s t e mb yt h eh a r d w a r e - - i n - l o o ps i m u l a t i o nm e t h o df o rap r o t o t y p e u 酬n a m e d f r o g i n t h i s e x p e r i m e n t i tw a sf o u n dt h a t t h el a t e r a l r o o t - m e a n - s q u a r eo r r o rw a s2 1 41f e e tw h i l et h el o n g i t u d i n a lr m se r r o rw a s14 9 4 9 f c e t 2 ) i n2 0 01t h ed e p a r t m e n to fa e r o n a u t i c sa n da e r o n a u t i c si ns t a n f o r du n i v e r s i t y d e s i g n e da n db u i l tap l a t f o r mf o rt h ed r a g o n f l yu a v t h ed r a g o n f l yu a v 、撕廿l a l lh a r d w a r em a yb ep l u g g e di n t ot h ep l a t f o r m f u r t h e r m o r e ，t h ep l a t f o r mc a n v a l i d a t et h ea u t o p i l o ta c c u r a c yo ft h ed r a g o n f l y , s i m u l a t et h ee f f e c t so f1 i n e a ra n d n o n l i n e a rc o n t r o l l e r s0 1 1t h ea t t i t u d ec o n t r o lo fu a v , a n ds h o wt h ec h a n g e so ft h e m r c r a f ls t a t e sa n dc o n t r o lv a r i a b l e sa td i v e r s es a m p l i n gr a t e s 3 ) t h eh e l i o s ，w h i c hi sc u r r e n t l yu n d e rd e v e l o p m e n t ( u s a ) ，w i l li n c o r p o r a t eaf u e l c e l le n e r g ys t o r a g es y s t e mt op r o v i d ep o w e rf o rf l y i n gt h r o u g ht h en i g l l t m a k i n g i tc a p a b l eo fc o n t i n u o u sf l i g h ta t5 0 ，0 0 0 7 0 ，0 0 0f e e tf o rm o n t h sa tat i m e w i t h i l l t e ny e a r st h eh e l i o su 斟i se x p e c t e dt ob ew i d e l yd e p l o y e da sb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n sp l a t f o r m s ，p r o v i d i n gau n i q u e l yc o s te f f e c t i v ec o m p l e m e n tt o s a t e l l i t ea n dt e r r e s t r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a sh a sb e e ns h o w na b o v e ，t h e r eh a sb e e ns om u c hw o r ka n dr e s e a r c hd o n ei nt h e d e v e l o p m e n tq 鼍u 划s 。t h em o s ta d v a n c e dt e c h n i q u e sb e i n gu s e di nm i l i t a r y a p p l i c a t i o n sa l o n e i ti sw o r t h yt on o t eh o w e v e rt h a tc u r r e n tu 划sa r eb u l k ya n d i n c o n v e n i e n tt ot r a n s p o r ta n ds i l l a l l e rm o d e l sb e l o n gt oag r o u pk n o w n 嬲m i c r oa e r i a l v e h i c l e s 1 3o b j e c t i v e t a s kd e s c r i p t i o n t h i st h e s i sp r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t , m o d e l i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fa l l a u t o p i l o tt l l a tc a nb eu s e di nas m a l ls c a l e du a v f o rf l i g h tp u r p o s e s 。t h i st h e s i sw i l l p r e s e n tt h ef e a t u r e so ft h ea u t o p i l o tt h a tm a k e si t u s e f u lf o rc i v i l i a np u r p o s e s i n d e v e l o p i n gt h i sa u t o p i l o t ，af e wg o a l sw e r es e ta n da c c o m p l i s h e d , b e l o wi sa c a t e g o r i z a t i o no fs u c hg o a l so rd e s i g nm e t r i c s ： a ) s i z e ：t h em o s ti m p o r t a n td e s i g nm e t r i cc o n s i d e r e dw a ss i z e ，t h eg o a li st ob u i l da s m a l ls c a l ea u t o p i l o tw h i c hc a nf i ti n t oas m a l ls c a l ea i r f r a m ef o r t h eu a b ) r o b u s t ：t h ea u t o p i l o ts h o u l db er o b u s ta n dd a m a g er e s i s t a n t c ) a u t o n o m o u s ：o n ev e r yv i t a ld e s i g nm e t r i ci sd e s i g n i n ga na u t o p i l o tu n i tf o ra u 斛t h a tc a nb ea u t o n o m o u s d ) c o s t ：t h et o t a ld e v e l o p m e n tp r o c e s ss h o u l db ei n e x p e n s i v e , s h o u l db ea b l et ou s e c o r n m e r c i a la v a i l a b l e0 f f - t h e s h e l fh a r d w a r e e ) t h eu a vs h o u l db ec a p a b l eo fa u t o m a t i cl a u n c ha n dl a n d i n g t l l i st h e s i sw i l ls h o wt h ed e v e l o p m e n to fa na u t o p i l o ts y s t e mt h a ts a t i s f i e st h ea b o v e k e yc o n s i d e r a t i o n so rd e s i g nm e t r i c s a no f f - t h e - s h e l fa i r f l a l n ew a su s e di nt h e a u t o p i l o td e v e l o p m e n tt om a x i m i z et h ee f f o r ta n dr e s o u r c e st o w a r dt h ed e v e l o p m e n t o ft h ea u t o p i l o ti t s e l 2 1 4t e c h n i c a lc h a l l e n g e s m a n yc h a l l e n g e sw e r em e ti nt h ed e s i g no ft h ea u t o p i l o t f i r s to fa 1 1w a st h ec h a l l e n g eo fc r e a t i n gad e s i g nt h a tw i l lf i tt h eg o a ls e ti nt h e b e g i n n i n go ft h ep r o j e c t ，功eo b j e c t i v eo fd e s i g n i n gas m a l ls c a l eu a va u t o p i l o t c o n t r o l l e r , a n dt h ec h a l l e n g eo fk e e p i n gt h i sd e s i g ni n e x p e n s i v e p u r s u i n gt h ed e s i g no fas m a l ls c a l eu a v w i l li n v o l v ei u s t a b i l i t i e si nt h ea i r f r a m e a n dh e n c et h ea u t o p i l o tm u s tb ea b l et oc o n t r o la l lu n s t a b l ea i r f r a m e s m a l ls c a l e u a v sa r ei n h e r e n t l yu n s t a b l eb e c a u s eo fm e i rs i z ea n dw e i g h tc a t e g o r y t h et h i r dc h a l l e n g el i e si nt e s t i n ga n dd e v e l o p i n ga na u t o p i l o to na ni n e x p e n s i v e a i r f r a m ew i t h o u tc r a s h i n g0 1 d a m a g i n gt h eh a r d w a r e t l l i sw a si m p l e m e n t e db y u s i n gah o b b i c os u p e r s t a ra i r f r a m e i tw a sm o d i f i e dt om e e tt h es p e c i f i c a t i o no f t h i sd e s i g n f i n a l l y , f o ra s m a l ls c a l eu a vt 0b e o fc o m m e r c i a lv a l u e , i tm u s tb o a s ta l le a s eo f u s e t h u sh i g hl e v e la l g o r i t h m sw e r ed e v e l o p e dt h a t se n a b l et h eu a vt 0b e a u t o n o m o u sa n dh a v ea u t o 1 a u n c ha n dl a n d i n gc a p a b i l i t i e s 1 5t h e s i so u t l i n e ，n l ct h e s i ss t r u c t u r ei ss h o w nb e l o w ：c h a p t e r2d i s c u s s e sf 1 i 曲td y n a m i c s ， d e f i n e st h ea x i ss y s t e m su s e di nt h i sp r o j e c t , i ta l s of o c u s e so nc o n t r o la l g o r i t h m s u s e dt os t a b i l i z ea n dn a v i g a t et h eu a c h a p t e r3w i l la d d r e s st h ea u t o p i l o to v e r v i e w ； i td e s c r i b e si nt h ed e p t ht h ec o m p l e t ea u t o p i l o ts y s t e ma n di t sc o m p o n e n t s i tg o e s a h e a dt od e s c r i b et h ei n d i v i d u a lc o m p o n e n t s c h a p t e r4d e s c r i b e st h ea r d u i n o s o f t w a r ew h i c hi st h ec o r es o f t w a r eu s e di nt h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h e a u t o p i l o t ，i tf u r t h e rg o e st od e s c r i b eas o f t w a r es i m u l a t i o nf o r t h ea u t o p i l o t c h a p t e r5 p r e s e n t st h ef l i g h tt e s t sa n dr e s u l t so b t a i n e da n dac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ea c t u a l f l i g h t a n dt h e o r e t i c a l e x p e c t a t i o n s f i n a l l yc o n c l u d e s t h i st h e s i sw i t h r e c o m m e n d a t i o n sf o rf u t u r ew o r ko nu 、斛sa n da u t o p i l o t s 3 d 动 ” c h a p t e r2 c h a p t e r 2f l i g h td y n a m i c s i nt h i sc h a p t e r , n e w t o n sl a w sa r eu s e dt od e v e l o pe q u a t i o n so fm o t i o n sf o ra f i x e dw i n ga i r c r a f t t h ee q u a t i o n so fm o t i o no fa na i r c r a f ti st h eb a s i c so nw h i c ht h e w h o l ef r a m e w o r ko ff l i g h td y n a m i c si sb u i l to na n di tp r o d e st h ee s s e n t i a lk e yt oa p r o p e ru n d e r s t a n d i n go fn 姐n ga n dh a n d l i n gq u a n t i t i e s a tt h e i rs i m p l e s t ，t h e e q u a t i o n so fm o t i o nc a nd e s c r i b es r n a l lp e r t u r b a t i o n sm o t i o na b o u tt l l et r i mo n l y a t t h e i rm o s tc o m p l e xt h e yc a nc o m p l e t e l yd e s c r i b et h ee m b o d y i n gs t a t i cs t a b i l i t y , d y n a m i cs t a b i l i t y , a e r oe l e c t r i ce f f e c t s ，a t m o s p h e r i cd i s t u r b a n c e sa n dc o n t r o ls y s t e m d y n a m i cs i m u l t a n e o u s l yf o rag i v e na i r c r a f tc o n f i g u r a t i o n a na t t i t u d ed e s c r i p t i o n s y s t e mi st h e np r e s e n t e da n dt h ek i n e m a t i ce q u a t i o n sa r ed e v e l o p e da n da d d e dt ot h e e q u a t i o n so fm o t i o nt of o r mac o m p l e t es e to fn o n 1 i n e a ra i r c r a f td y n a m i c se q u a t i o n s f i n a l l y , t h ef o r c e sa n dm o m e n t st h a td r i v em e s ee q u a t i o n sa r ew r i t t e ni nt e r m so ft h e a i r c r a f t ss t a t e sa n dp h y s i c a lp r o p e r t i e s t h ed y n a m i ce q u a t i o n sw i l lb ed i s c u s s e di n d e t a i lh e r es i n c et h e yf o r mt h eb a s i so ft h es i m u l a t i o nm o d e lu s e dl a t e ro n 2 1c o o r d i n a t es y s t e m s p r i o rt ou s i n gn e w t o n sl a w st od e v e l o pad y n a m i cm o d e lf o rt h ea i r c r a f t ，a c o o r d i n a t es y s t e mm u s tb ed e f i n e d i nt h i sc o o r d i n a t es y s t e ma l lo fn e w t o n sl a w sc a n b ea p p l i e d 1 1 1 ep o s i t i o no fa na i r c r a f ti sg e n e r a l l yd e f i n e dr e l a t i v et oo n eo f3s e t so fc o - o r d i n a t e s y s t e m s ： 1 ) w i n d a x e s a ) xa x i s - p o s i t i v ei nt h ed i r e c t i o no ft h eo n c o m i n ga i r ( r e l a t i v ew i n d ) b ) ya x i s p o s i t i v et or i g h to fxa x i s ，p e r p e n d i c u l a rt oxa x i s c ) za x i s p o s i t i v ed o w n w a r d s ，p e r p e n d i c u l a rt ox - yp l a n e 2 ) i n e r t i a la x e s ( o rb o d ya x e s ) 曲xa x i s p o s i t i v ef o r w a r d , t h r o u g ht h en o s eo ft h ea i r c r a f t b ) y a x i s p o s i t i v et ot h er i g h to fx a x i s ，p e r p e n d i c u l a rt ox a x i s c ) z a x i s p o s i t i v ed o w n w a r d s , p e r p e n d i c u l a rt oxa x i s 3 ) e a r t ha x e s a ) xa x i s p o s i t i v ei nt h en o r t hd i r e c t i o n b ) ya x i s p o s i t i v ei nt h ee a s td i r e c t i o n c lza x i s p o s i t i v et o w a r d st h ec 圮n t r eo ft h ee a r t h f o rf l i g h td y n a m i c sa p p l i c a t i o n st h ee a r t ha x e sa r eg e n e r a l l yo fm i n i m a lu s e ，a n d h e n c ew i l lb ei g n o r e d t h em o t i o n sr e l e v a n tt od y n a m i cs t a b i l i t ya r eu s u a l l yt o os h o r t i nd u r a t i o nf o rt h em o t i o no ft h ee a r t hi t s e l ft ob e