小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计分类号密级UDC 注 1学位论小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计(题名和副题名)裙孙裙指导教师姓名(作者姓名)陈庆伟教授申请学位级别硕士专业名称控制理论与控制工程论文提交日期 2009.06 论文答辩日期 2009.06学位授予单位和日期二南京理工大学答辩委员会主席评阅人2009 年 6 月 8 日注 1:注明国际十进分类法 UDC的分类号。声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名:叫年石月 3。日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交井授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名:l 年石月扣日硕士论文小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计摘要飞艇是一种轻于空气的浮空飞行器，具有留空时间长、安全性能好、环境污染少、能耗低、载重量大、飞行平稳、起降场地要求简单等特点。无人自主飞艇具有很高的自主性和巨大的市场潜力，而且特别适合作为信息收集的平台用以研究、环境监测、通信中继和导航等等，在很多领域都有着广泛的应用。本文以无人飞艇为研究对象，在综合了解和比较了国内外的研究状况之后，建立了小型无人飞艇的数学模型并进行了控制律的仿真，在此基础上对飞行控制系统进行了硬件和软件的设计。首先针对本文所使用的小型飞艇模型进行力学分析，从动力学和运动学两个方面分析飞艇的力学特性，最后整理得出飞艇的运动方程，并建立飞艇的六自由度数学模型。利用小扰动的方法将非线性的数学模型线性化，根据线性化方程特点将飞艇运动分为横向运动方程和纵向运动方程。其次对飞行控制系统进行总体设计方案，在此基础上设计并完成了以 MSP430F449为核心，包括数据采集模块、驱动模块、无线通讯模块、GPS 模块等在内的硬件电路设计。软件设计采用模块化设计方法，按功能将系统划分为各个子模块，并对每个模块软件流程行了总体设计。采用了特征建模的方法，对所建立的数学模型进行了辨识，验证了数学模型的正确性。采用 PID 和专家 PID 两种控制器设计飞艇俯仰和偏航两种姿态的控制律，并对两种方法进行分析比较。最后对飞行控制系统进行了 PCB 设计制成了实验电路板，完成了部分功能的调试。还利用 MATLAB 进行了控制律的仿真，最后验证了该飞行控制系统方案的可行性。关键词:自主飞行控制系统，六自由度数学模型，MsP430F449，姿态控制，特征建模 Abstraet 硕士论文Abstr8CtAirshiP15afloataircraftwhich15lighterthanair， withlongertimesta 外 ngintheair，bettersecurityPeribrmance， lessenvironmentalPollution， lowenergyeonsumPtionandbettercarrylngability.Ithasasmoothflight， therequiremeniofthet 由 ngoffandlandingground15simPle.Autonomousu 几 tnaxmedairshiPhascomPleteautonomyandhugemarketPotential，esPeeiallyasaPlatformforinformationgatheringinstud外 ng、 environmenialmonitoring、trunkeonlln 切 meationandnavigationand50on， whiehhashadwideaPPlieationinmanyfields.ThePaperusedsmallunrnannedairshiPasobjeetofstudy.AfterlngandcomParingthePresentsituationofresearchathomeandabroad， amathematicalmodelforsmallairshiP15establishedandsimulatedforitseontrollaw.Onthisbasis， thePaPerea 币 edoutahardwareandsoftwaredesignfortheflighteontrolsystem.First， basedonthemechanicalanalysisforthesmallairshiPmodel， thePaPeranalyZedairshiPmech 耐 ealcharacteristiesindynamiesandkinematiesanddedueedthefinalmotionequationsand6DOFmathematiealmodelafterthen.ThemotionequationsoftheairshiPareline 硕 zedbysmall 一 Periurbationtheoryunderthenominalconditionwithnowind， zeroattackangleandsidesliPangle.Theline 如 zedequationwasbrokeuPintotrallsversemovementoneandlengthwisemovementoneSecond， thePaPerdesignedtheflighteontrolsystem， finishedthehardcireuitdesignwhicheenteringonMSP430F449， inludedataaeeumulatingmodule、 drivermodule、wirelesseornrnunieationmodule、 GPSmodule， ect.Modularizationwasusedinthesoftwaredesign，thewholedesignwasdividedtoseveralsubsystembyfunction， overalldesigntheProgramsflowforeverysubsystem.Thenusingfeaturemodelingmethodtodistinguishedthemathematicalmodeltoverifytheeorrectuessofthemodel.ThenPIDandexPerPIDareadoPtedinthecontrollawoftheairshiP， 5Pitchandyawmotionsdesign.Aecordingtothesimulationdiagram， thePaPeranalysiseomParesthesetwoeontrolmethods.Finally， thePaPerfinishedthePCBdesignoftheflightcontrolsystem， makethebreadboardtocomPleteP 叭 ofdebuggingtoverifythefeasibilityoftheProPosal.Keywords:autonomousflighteontrols”tem， 6DOFmathematicalmodel，MSp439F449毗 itudeeonlr01， featuremodel 硕士论文小型无人飞艇的建模与飞行控制系统的设计目录摘要.“.JAbstract.11目录.In1 绪论.”.11.1 课题的背景和意义.11.1.1 飞艇发展历史与优势.11.1.2 无人飞艇特点与应用.，.21.2 国内外研究现状.，.31.2.1 国外飞艇发展现状.31.2.2 国内飞艇发展现状.51.3 飞艇发展趋势.71.4 本文主要工作安排.72 飞行控制系统总体方案设计.92.1 飞艇简介.92.1.1 飞艇结构.92.1.2 飞艇实物模型.