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1、毕业设计(论文)基于自适应控制的无人机摄影云台稳定性设计 系 别自动化工程系专 业自动化专业班 级 姓 名 指导教师 年6月16日w基于自适应控制的无人机摄影云台稳定性设计摘 要UAV 无人驾驶飞机指不需要飞行员在机舱内进行驾驶，飞行全过程在电子设备的控制下自动完成。无人机与有人驾驶的飞机相比具有尺寸小、成本低、机动性高和隐蔽性好的优点，因此被广泛应用到侦查、监视、通信、反潜、骚扰、炮兵校正、电子对抗和对地攻击等，无人机进行空中摄影则是应用面最为广泛的一面。本文针对航拍云台稳定性，设计了一种自适应模糊PID控制算法。系统的硬件部分是以AVR单片机为核心的。该单片机具有高速运算能力和丰富外围接口
2、电路的特点，大大简化了系统电路设计，提高了系统的可靠性。软件设计方面，针对硬件系统中核心部件AVR单片机的开发软件要求，采用了ICCAVR编写C程序，利用自适应模糊PID控制算法实现了对舵机的控制。最后分析了影响系统性能的各种因素，并从软件算法和硬件电路设计等方面提出了具体改进措施。关键字：舵机控制器 ，PID算法，AVRStability design of cloud platform based on adaptive fuzzy algorithm Author: Jiang Honglei Tutor: Zhang BaojianAbstractUAV unmanned aerial
3、 vehicles that do not need to drive within the cabin the pilot, Whole process of flying under the control of the electronic device automatically. Compared to manned aircraft UAV is small size, low cost, high mobility and concealment. It is widely applied to the detection, surveillance, communication
4、s, anti-submarine, harassment, artillery correction, electronic countermeasures and to attacks; the most widely used is UAV aerial photography.In this paper, against the stability of cloud platform, an adaptive fuzzy strategy is designed .In the aspect of hardware system, the AVR control system has
5、been designed which is more dependable. The AVR microcomputer is a high-speed computing power and Rich peripheral interface MCU. In the aspect of software design, write C program using ICCAVR, Adaptive fuzzy PID control algorithm for steering control.At the end of the paper, all factors that affect
6、system performance are analyzed, and optimization designs are presented.Key words: Steering engine controller,PID algorithm ,AVR目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 UAV单元介绍21.3 云台单元介绍42 模糊PID控制算法简介及自适应控制简介52.1 引言52.2 模糊PID控制算法52.2.1 PID算法简介52.2.2 模糊控制简介72.2.3 自适应控制简介92.3 自适应控制系统概述102.3.1 自适应控制的历史和发展概况102.3.2 自适应控制的
7、理论问题112.4 小结133 自适应整定模糊PID控制143.1 引言143.2 自适应控制系统的原理和分类143.2.1 自适应控制原理143.2.2 自适应控制系统的类型153.3 算法的提出及解决思路183.3.1 结构与工作原理183.3.2 确立输入输出变量并模糊化193.3.3 建立模糊推理规则193.3.4 PID控制算法203.4 小结214 系统构成与工作原理224.1 引言224.2 总体方案设计224.3 以AVR单片机为核心的舵机控制系统设计234.3.1 系统的构成234.3.2 系统硬件电路设计234.4 系统软件设计及算法实现304.4.1 AVR主程序编写30
8、4.5 小结315 系统结果分析335.1 引言335.2 系统结果分析33总结35致谢36参考文献37附录A：译文38附录B：源程序541 绪论1.1 课题背景目前，我国国民经济飞速发展，国家基础建设日新月异，如何最快最准确地获取、更新基础数据一直是大家长期关注的问题。资源和生态环境调查、监测与评估、电子政务、数字城市、以及重大工程建设都迫切需要现势性强、高分辨率的遥感数据。但是传统航空遥感技术主要面向基础测绘，以及资源、生态环境调查、监测与评估等领域的基础性应用，由于受飞行平台、传感器性能和成本的制约，往往在小面积区域遥感数据获取中难以实施。而且现有的卫星遥感和普通航空摄影存在以下三大问题
9、:天云下得不到光学影像。无法表达高层建筑物的多面复杂结构和纹理。缺乏机动灵活性，普通用户不能自主拥有。各类城镇的改建、扩建、新建或经济开发区、科技园区，实地面积并不大，少则几平方公里，多则十几至数十平方公里。这类任务面积小、比较分散又要求尽快提交空间基础信息。这类航摄经济效益欠佳，而且协调空域、调机、航路申请审批程序繁琐，运作周期长。所以，现时通用航空遥感业主通常不愿承担这类分散的小面积任务。因此，无人飞行器低空遥感系统，利用其低空云下飞行、机动快速、经济便捷等特点，可以为遥感应用部门自主拥有和应用，能够成为卫星遥感和普通航空摄影的重要补充手段。无人飞行器主要包括固定翼无人机、无人直升机和无人
10、飞艇。无人飞艇由于其低空低速的飞行性能和操作简单、安全可靠的特点。在利用小型无人机拍摄地面固定物体时， 由于无人机本身的移动和晃动，需要不断调整无人机上摄像机的角度来保持对准拍摄对象，通常需通过手动遥控调整。本课题提出一种实时自动调整摄像机的设计，利用红外传感器采集角度变化数据，然后通过AVR系统来控制舵机，保持摄像机稳定。这种设计不仅可以解放人手，而且可以克服用人手操作困难、延迟大和不稳定的缺点。1.2 UAV单元介绍无人机是一种由动力驱动、无人驾驶、可重复使用的航空器的简称，英文常用Unmanned Aerial Vehicle表示，缩写为UAV。从英文的含义上看，UAV是有在空中飞行，无
11、人驾驶的飞行器的总称。无人飞行器按照其系统组成和飞行特点可分为固定翼型无人机，简称为无人飞机(UAV-aircraft)、无人驾驶直升机(UAV-helicopter)和无人驾驶飞艇(UAVKITE-BALLOON)等种类。微电子技术的发展带动了智能化技术、数字化技术、模块化技术以及电综合化技术的发展，从而极大地推动了无人机系统在世界范围内突飞猛进的发展。在近现代局部战争中，无人机的突出表现加速了无人机在军事领域的应用之后，无人机在民用领域中的作用也必将为世人所关注。无人驾驶飞行器是通过无线电遥控设备或机载计算机程控系统进行不载人飞行器。无人驾驶飞行器结构简单、使用成本低，不但能够完成驾驶飞机
12、执行的任务，更适用于有人飞机不宜执行的任务，如危险区域的空中救援指挥和遥感监测。无人驾驶飞行器出现在1917年，早期的无人驾驶飞行器的研制和应用作靶机，应用范围主要是在军事上，后来逐渐用于作战、侦察及民用行平台。20世纪80年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器的不断问世，无人飞行器系统的性能不断提高，应用范围和应用领域迅速拓展。世界范围内的各种用途、各种性能指标的无人驾驶飞行器的类型己达数百种之多。续航时小时延长到几十个小时，任务载荷从几公斤到几百公斤，这为长时间的遥感监测提供了保障，也为搭载多种传感器和执行多种任务创造了有利条件。无人驾
13、驶飞艇通过艇内填充的氦气(或氦气和氢气的混合气体)所产生浮力以及发动机提供的动力来实现飞行。大型飞艇可以搭载1000千克以上载荷飞到20000米的高空，留空时间可以达一个月以上；小型飞艇可以实现低空、低速飞行。无人驾驶飞艇系统具有成本低，操控简捷，安全性好，便易，无需起飞场地等特点。人们开始研究无人驾驶飞艇系统的集成技术，为民用服务。无人飞机系统的研制及其民用化成为国内外研究的热点。在国内，由北航、南航、西工大无人机所研制的大、中、小型无人飞机系统主要服务军事方面的战况侦察、中继通讯、靶机和作战指挥。在民用方面，以无人机为影像获取的平台的各种应用也成为国内外研究的热点。无人机系统用于完环境监测
14、、保护，危险区监测、灾情评估及救援指挥，遥感等任务。无人机系统在摄影测量中的应用研究从未停止过。Przybilla和Wester-Ebbinghaus，早在1979年第一次将无人机系统用于摄影测量，当时摄影设备为光学相机系统，实验中使用的是Hegi公司生产的无人飞机，飞机的机体长3m，翼展为26m，最大任务载荷3公斤，搭载了简易的导航系统，采用的胶片式光学相机。该系统可以实现高度的控制和自行导航，其飞行高度为150m地速为40km/h。主要用来对地面摄影测量无法进行的考古区域的顶部和重要筑物等航空摄影，然后进行地面摄影测量及航空摄影测量，由于获取的影像质量较差，没有得到试验结果。由于无人直升机
15、不需要起飞地，因此很多人致力于无人直升机在摄影测量应用中的研究。无人飞艇、热气球、风筝等作为航空摄影测量的飞行平台研究的实验在国外有相应的文献报道。按照系统组成和飞行特点，无人驾驶飞行器可分为固定翼型无人机、无驾驶直升机和无人驾驶飞艇等种类。固定翼型无人机通过动力系统和机翼的滑行实现起降和飞行，遥控飞行和程控飞行均容易实现，抗风能力也比较强，是类型最多、应用最广泛的无人驾驶飞行器。其发展趋势是微型化和长航时，目前微型化的无人机只有手掌大小，长航时无人机的体积一般比较大，续航时间在10小时以上，能同时搭载遥感传感器。起飞方式有滑行、弹射、车载、火箭助推和飞机投放等；降落方式有滑行、伞降和撞网等。固定翼型无人机的起降需要比较空旷的场地，比较适合林业和草场监测、矿山资源监测、海洋环境监测、城乡结合部的土地监测以及水利、电力等领域的应用。无人驾驶直升机的技术优势是能够定点起飞、降落，对起降场
