某近程小型无人机飞行控制系统研究

发布时间：2017-05-27 07:14

  本文关键词：某近程小型无人机飞行控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近程小型无人机(Short-range Unmanned Areial Vehicle)在军民领域应用日益广泛，逐渐成为名副其实的“尖兵之翼”。飞行控制系统作为无人机的控制中心，负责实时采集飞行状态和大气环境参数，结合地面控制信息，解算控制律使舵机/油门完成姿态和轨迹调整，从而完成相应战术任务。因此，研究设计一款针对静稳定性较高的通用无人机飞控系统具有较强的工程意义。 在研究现有飞控系统组成特点和功能特性的基础上，本文以常规固定翼无人机为样本，对其工作原理及控制器设计架构展开预研，并根据预设任务需求和设计指标确定一种以双片上系统芯片为核心的飞控系统的整体方案。双核架构可满足该型无人机在不做大机动飞行情况下的一般性飞行任务，并为进一步改进预留了足够的空间。 硬件上选用塞普拉斯公司PSoC3系列的CY8C3866AXI-040分别作为主协处理器，负责飞控和导航功能的实现。在此架构的基础上完成器件选型及外围接口电路硬件设计，包括单核最简控制单元、存储器电路、微惯性测量模块、磁力计、气压高度计、GPS导航单元、电源模块、数据通信链路等，其中遥控/手控部分的设计需保证其可靠性，因此除片外积分滤波电路外，通过配置PSoC3片内PGA、Comp等组件搭建的信号调理放大电路可保证切换信号的快速响应。电源利用四片区电压域Vddiox供给自主的原则，按照接口资源合理性分配不同的电压等级。另外利用片上系统可编程的结构特点，能够快速构建通用接口，，方便外部设备扩展。 在软件结构上，采用模块化设计思想完成底层各单元的驱动流程设计，并根据任务调度和决策管理，对捷联惯导姿态模块及航向角算法进行分析，完成速度、位置、姿态等数据量的解析。最终利用单核最简板完成传感器数据采集、GPS导航模块测试、伺服驱动部分的应用测试。 此外，在原型机基础上采取解耦线性化手段建立了小型无人机的数学模型，并利用PID控制和Matlab中的SRO优化软件包对无人机纵向和横侧向回路进行控制律设计。仿真结果验证了控制器结构设计的合理性，具有较好的应用意义。
【关键词】：无人机 飞行控制系统 PSoC3 控制律设计
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 无人机概述9
• 1.2 无人机及飞行控制系统发展历程9-13
• 1.2.1 国内外无人机发展状况9-11
• 1.2.2 飞行控制系统研究状况11-12
• 1.2.3 无人机未来发展趋势12-13
• 1.3 课题研究目的及意义13
• 1.4 主要研究内容及章节安排13-15
• 1.4.1 论文主要研究内容13-14
• 1.4.2 论文结构编排14-15
• 第2章 无人机飞控系统总体方案设计15-27
• 2.1 AFCS整体设计流程15-18
• 2.1.1 飞行控制系统设计步骤15
• 2.1.2 试验样机简介15-16
• 2.1.3 飞行控制系统基本原理16-17
• 2.1.4 FCS组成结构和功能17-18
• 2.2 控制器方案预研18-20
• 2.2.1 微处理器选型方案19-20
• 2.2.2 外围器件选型方案20
• 2.3 机载传感器20-25
• 2.3.1 微惯性测量模块20-22
• 2.3.2 磁航向传感器22-23
• 2.3.3 气压传感器23-24
• 2.3.4 GPS接收机24-25
• 2.4 伺服驱动机构25
• 2.5 数据链路选型方案25-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第3章 飞控计算机机载硬件平台的设计27-42
• 3.1 飞控系统硬件实现框架27-33
• 3.1.1 基于PSoC3 的最简控制单元28-30
• 3.1.2 扩展存储器电路30-33
• 3.2 电源模块设计33-34
• 3.3 机载传感器接口电路34-35
• 3.4 GPS接口电路35
• 3.5 辅助接口电路设计35-37
• 3.5.1. 串行通信接口35-36
• 3.5.2 片上A/D采集电路36-37
• 3.6 数据链切换策略37-39
• 3.6.1 飞行过程特征分析37
• 3.6.2 切换控制电路37-39
• 3.7 伺服驱动控制电路39-40
• 3.8 电路设计若干注意事项40-41
• 3.9 本章小结41-42
• 第4章 飞控系统软件开发与测试42-63
• 4.1 Creator2.0 开发环境介绍42-43
• 4.2 飞控计算机软件总体设计43-46
• 4.2.1 软件总体设计43-44
• 4.2.2 外设接口数据流44-45
• 4.2.3 主程序流程图45-46
• 4.3 双核通信驱动设计46-47
• 4.4 基于I2C总线的传感器数据采集47-53
• 4.4.1 I2C总线协议模式47-49
• 4.4.2 IMU模块数据采集49-50
• 4.4.3 磁航向数据采集50-51
• 4.4.4 高度数据采集51-53
• 4.5 传感器数据处理53-56
• 4.5.1 四元数法解算捷联姿态53-55
• 4.5.2 航向角数据融合55-56
• 4.6 GPS导航模块测试56-58
• 4.6.1 GPS数据包解析及程序设计56-57
• 4.6.2 GPS定位性能测试57-58
• 4.7 伺服驱动测试58-62
• 4.7.1 舵机控制测试58-60
• 4.7.2 无刷电机测试60-61
• 4.7.3 遥控/程控切换测试61-62
• 4.8 本章小结62-63
• 第5章 小型无人机控制律设计及仿真63-77
• 5.1 小型无人机数学模型63-68
• 5.1.1 参考坐标系及假设条件63
• 5.1.2 无人机运动方程组63-66
• 5.1.3 小型无人机解耦及线性化66-68
• 5.2 PID控制原理及特性分析68-69
• 5.3 小型无人机控制律设计69-74
• 5.3.1 纵向控制律设计70-71
• 5.3.2 横侧向控制律设计71-74
• 5.4 控制律仿真74-76
• 5.4.1 纵向回路仿真结果74-75
• 5.4.2 横侧向回路仿真结果75-76
• 5.5 本章小结76-77
• 第6章 总结与展望77-79
• 6.1 总结77-78
• 6.2 展望78-79
• 参考文献79-82
• 攻读硕士期间发表论文情况82-83
• 致谢83-84
• 附录84-87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王新民;肖亚辉;邓婉;谢蓉;;某型固定翼飞机协调转弯鲁棒控制律设计[J];北京航空航天大学学报;2011年07期

2 王俊彩;王福平;侯瑞峰;王成;;基于BMP085的一种便携式海拔高度测量系统设计[J];传感器与微系统;2011年12期

3 胡宁博;李剑;赵榉云;;基于HMC5883的电子罗盘设计[J];传感器世界;2011年06期

4 孙冬梅;田增山;韩令军;;捷联惯导系统中四元素法求解姿态角仿真模拟[J];弹箭与制导学报;2009年01期

5 李忠桥;游小杰;郑琼林;;单片机SPI通信中数据流的同步问题研究[J];单片机与嵌入式系统应用;2007年01期

6 袁西;陈栋;田湘;吕晶;;三轴数字加速度计ADXL345及其在捷联惯导中的应用[J];电子设计工程;2010年03期

7 张岩;马旭东;张云帆;;ARM与DSP的SPI通信设计实现[J];工业控制计算机;2008年09期

8 沈阳;张海;;C8051F040单片机的机器人自主定位系统设计[J];单片机与嵌入式系统应用;2012年09期

9 吴立新;刘平生;卢健;;无人机分类研究[J];洪都科技;2005年03期

10 胡中华;赵敏;;无人机研究现状及发展趋势[J];航空科学技术;2009年04期

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本文编号：399222