当前位置:主页 > 科技论文 > 航空航天论文 >

轻小型无人飞行器飞行控制系统研究与设计

发布时间:2017-04-09 05:13

  本文关键词:轻小型无人飞行器飞行控制系统研究与设计,由笔耕文化传播整理发布。


【摘要】:在军事和民用领域,无人飞行器(UAV)的应用越来越广泛。飞行控制系统是保证其正常飞行并且完成任务的关键技术,飞行控制系统的设计和验证是飞行器设计的最重要的环节。本文总结国内外商业和开源飞行控制系统研究现状,以轻小型无人飞行器控制功能需求出发,以仿真为基础开展了控制系统需求分析,并以此为依据开展了飞行控制系统方案设计、硬件设计、硬件制作、软件开发、系统集成和地面半物理仿真验证。 首先,本文针对某型固定翼无人机,研究其气动特性和发动机推力特性,分析无人机的三轴气动力和气动力矩,建立完整的非线性6自由度模型,设计其内环增稳和外环导航控制律,应用MATLAB/SIMULINK进行数字闭环仿真验证。以此为基础,对无人飞行器飞行控制系统的基本性能、传感器配置、舵面伺服系统性能、处理器和接口、系统实时性提出指标要求。 其次,设计了以ARM Cortex-M4内核的STM32F407处理器为核心的自主飞行控制系统,集成数据采集通信接口、舵机驱动接口、数传电台模块、TF卡接口和网络接口,完成了系统硬件的制作、焊接、组装与调试,集成系统的软件和硬件,并按照控制律设计框图编写嵌入式控制律软件,完成飞行控制系统的研发与制作。 本文创新性地提出了“对称式飞行测试”的思想,组建实时的半物理仿真环境。将飞机气动力特性和非线性6自由度方程编写成C代码,编译并下载到计算机中运行,根据视景软件的网络接口协议驱动飞行仿真界面,同时与飞行控制系统组成半物理闭环仿真系统,将得到的结果与数字闭环仿真的结果比较,验证了“对称式”飞行测试系统的仿真精度,完成飞行控制系统功能要求,满足飞行控制系统前期研究验证的需求。 本文以某型无人机平台为工程案例进行开发,验证了系统的性能指标满足飞行控制系统的研发需求,其技术可以推广应用到类似无人飞行器的飞行控制系统中。同时该系统成本低廉,适用于一般的应用场合。
【关键词】:无人飞行器 飞行控制系统 ARM Cortex-M4 半物理仿真
【学位授予单位】:沈阳航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:V249.1
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第1章 概述10-24
  • 1.1 引言10-11
  • 1.2 轻小型无人飞行器飞行控制系统研究现状11-15
  • 1.3 轻小型无人飞行器飞行控制系统设计技术15-16
  • 1.4 飞行控制系统总体设计方案16-22
  • 1.4.1 飞行控制系统设计需求分析16
  • 1.4.2 嵌入式飞行控制计算机16-20
  • 1.4.3 半物理(Hardware-In-the-Loop,HIL)仿真系统分析20-21
  • 1.4.4 总体方案设计21-22
  • 1.5 研究内容和章节安排22-24
  • 第2章 无人飞行器控制需求与仿真分析24-43
  • 2.1 无人飞行器介绍24-25
  • 2.2 无人飞行器气动力和力矩分析25-27
  • 2.3 无人飞行器发动机模型假设27-28
  • 2.4 无人飞行器非线性6自由度方程28-31
  • 2.5 无人飞行器的配平31-33
  • 2.6 无人飞行器控制律设计及数字仿真验证33-41
  • 2.6.1 内环控制律设计33-35
  • 2.6.2 外环控制律设计35-37
  • 2.6.3 闭环仿真测试37
  • 2.6.4 数字闭环系统延迟及噪声分析37-41
  • 2.7 无人飞行器控制需求分析41-43
  • 第3章 飞行控制系统硬件设计及软件设计43-66
  • 3.1 飞行控制系统硬件设计43-54
  • 3.1.1 飞行控制计算机最小系统设计43-45
  • 3.1.2 串行接口电路设计45-46
  • 3.1.3 PWM输入输出接口设计46-47
  • 3.1.4 控制器局域网CAN总线接口设计47
  • 3.1.5 TF卡接口电路设计47-48
  • 3.1.6 网口电路设计48
  • 3.1.7 传感器接口电路设计48-52
  • 3.1.8 电源电路设计52-54
  • 3.2 电磁兼容性设计54
  • 3.3 PCB设计与布线54-56
  • 3.4 驱动软件的设计56-62
  • 3.4.1 系统启动流程及初始化56
  • 3.4.2 PWM输出与采集驱动设计56-57
  • 3.4.3 I/O端口模拟I2C驱动设计57-58
  • 3.4.4 TF卡驱动设计及FatFS文件系统的移植58-60
  • 3.4.5 网络驱动设计及UDP网络协议的实现60-62
  • 3.5 应用软件的设计62-66
  • 3.5.1 飞行控制逻辑设计62-64
  • 3.5.2 飞行控制律软件设计64-66
  • 第4章 半物理仿真系统的搭建66-73
  • 4.1 视景软件介绍66-67
  • 4.2 视景软件网络协议介绍67
  • 4.3 仿真软件的编写67-70
  • 4.4 开环数据分析与结果70-73
  • 第5章 “对称式”测试系统闭环仿真验证73-80
  • 5.1 系统闭环调试73-74
  • 5.2 系统延时及噪声分析74
  • 5.3 半物理仿真与软闭环仿真比较74-80
  • 结论80-83
  • 参考文献83-86
  • 致谢86-87
  • 攻读硕士期间发表(含录用)的学术论文87-88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 焦彦军,张新国,王增平,张宏波;电力系统继电保护通用仿真分析系统的方案设计[J];电力系统及其自动化学报;2001年02期

2 厉明;纪勇;贾宏光;续志军;;基于快速仿真原型的飞行器半物理仿真系统[J];光学精密工程;2008年10期

3 安敬蕊;夏鹏巍;孙雪;路引;;无人机飞行控制系统地面仿真平台设计与实现[J];电子设计工程;2013年07期

4 张翼麟;张绍芳;李鹏飞;;2012年世界军用无人机发展动向及评述[J];飞航导弹;2013年07期

5 段海滨;张奇夫;范彦铭;李昊;;基于计算机视觉的UAV自主空中加油半物理仿真[J];北京航空航天大学学报;2013年11期

6 王树源;;国外军用无人机发展现状与趋势[J];硅谷;2014年18期

7 刘洋;;释放你的创造力:STM32及EDNChina在线资源攻略[J];电子设计技术;2009年09期

8 冯安;;嵌入式计算机系统技术述评[J];洪都科技;2007年02期

9 张清江;刘磊;张剑锋;李爱军;余翔;;某型直升机半物理仿真系统的设计[J];计算机测量与控制;2006年03期

10 李夏云;陈传淼;;用龙格-库塔法求解非线性方程组[J];数学理论与应用;2008年02期


  本文关键词:轻小型无人飞行器飞行控制系统研究与设计,,由笔耕文化传播整理发布。



本文编号:294521

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/294521.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户98816***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com