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一种通用微型飞行控制器设计

作　者: 杨成顺
导　师: 杨忠
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 制导与控制
关键词: MUAV 飞行控制器 微型 嵌入式 旋翼飞行器
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 325次
引　用: 4次
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内容摘要


微小型无人机(Micro/Mini Unmanned Aerial Vehicle,MUAV)在现代军事和国民经济中发挥着越来越重要的作用。飞行控制器是无人机系统的核心,它自动采集无人机的各种飞行参数,输出舵面/油门指令以控制无人机的姿态和轨迹,使无人机能在没有人工操纵干预的情况下自主飞行,完成预定的任务。因此,研制高性能的飞行控制器对改善无人机的飞行性能以及提高任务完成效率都具有重要的意义。本文着重研究一种通用微型飞行控制器(General Micro Flight Controller,GMFC),以适用于小型/微型固定翼飞行器、旋翼飞行器、飞艇以及移动机器人的控制。论文的主要工作涉及GMFC的硬件设计与软件实现,具体内容包括:1)分析了微型飞行控制器在国内外的研究现状和发展趋势,根据任务需求和设计指标确定一种通用型、微型化、低功耗、高性能、低成本的嵌入式微型飞行控制器的整体方案。2)设计了基于ARM的通用微型飞行控制器的硬件系统,包括主控模块、惯性测量单元、静压高度计、遥控信号接收单元、数据通信模块、电源模块、附加传感器模块等;完成了整个控制器的PCB制作以及对所有电路的调试工作,使得系统运作正常。3)研究了基于卡尔曼滤波算法的姿态参考系统,并对姿态参考系统的静态性能和动态性能进行测试。4)设计了小型四旋翼飞行器本体平台并对其进行动力学建模仿真;5)在此基础上,结合四旋翼飞行器试验平台设计了飞行控制律,开发了GMFC的软件系统,并开展物理实验验证。

全文目录


摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章 绪论  14-20
  1.1 研究背景与意义  14-15
  1.2 国内外研究现状及发展  15-18
  1.3 本文的主要工作  18-20
第二章 GMFC 总体方案设计  20-27
  2.1 引言  20
  2.2 设计要求和指标  20-21
  2.3 控制器总体方案  21-26
    2.3.1 微控制器简介  22-24
    2.3.2 传感器方案  24-26
    2.3.3 无线数据链路  26
  2.4 小结  26-27
第三章 GMFC 硬件设计  27-48
  3.1 引言  27
  3.2 主控模块设计  27-30
    3.2.1 主控模块功能需求分析  27-28
    3.2.2 MCU 最小单元设计  28-30
  3.3 GMFC 主模块设计  30-41
    3.3.1 惯性测量单元  30-35
    3.3.2 静压高度计设计  35-37
    3.2.3 遥控信号接收单元设计  37-39
    3.2.4 数据传输模块设计  39-40
    3.2.5 电源模块设计  40-41
  3.4 附加传感器模块设计  41-43
    3.4.1 光照强度传感器单元设计  41-43
    3.4.2 温湿度传感器设计  43
  3.5 控制器硬件平台实现  43-46
    3.5.1 原理图和印刷电路板设计  44-45
    3.5.2 控制器实物说明  45-46
  3.6 硬件测试  46-47
  3.7 小结  47-48
第四章 基于卡尔曼滤波的飞行器姿态参考系统研究  48-61
  4.1 引言  48
  4.2 姿态表达式的转换  48-49
  4.3 惯性元件模型  49-53
    4.3.1 加速度计的数学模型  51
    4.3.2 磁力计的数学模型  51-52
    4.3.3 角速度陀螺的数学模型  52-53
  4.4 卡尔曼滤波算法  53-54
  4.5 姿态参考系统的性能测试  54-60
    4.5.1 静态性能测试  57-58
    4.5.2 动态性能测试  58-60
  4.6 小结  60-61
第五章 四旋翼飞行器的建模与仿真  61-73
  5.1 引言  61-62
  5.2 四旋翼飞行器本体设计和电机驱动组件配置  62-63
  5.3 机体坐标系建立  63
  5.4 四旋翼飞行器模型的建立  63-66
    5.4.1 非线性建模  63-65
    5.4.2 模型简单化  65-66
  5.5 电机与旋翼模型  66-69
    5.5.1 测试方案  66-67
    5.5.2 测试结果  67-69
  5.6 姿态角控制模型的建立与仿真  69-72
    5.6.1 姿态角控制模型  69-71
    5.6.2 仿真结果与分析  71-72
  5.7 小结  72-73
第六章 系统软件设计  73-93
  6.1 引言  73
  6.2 软件总体设计与系统初始化  73-75
    6.2.1 软件总体设计  73-74
    6.2.2 系统初始化  74-75
  6.3 模块软件设计与实验结果分析  75-90
    6.3.1 遥控信号解码实现  75-79
    6.3.2 高度计软件设计与高度采集实验  79-83
    6.3.3 附加传感器软件设计与数据采集实验  83-90
  6.4 飞行器控制律设计与实现  90-92
  6.5 小结  92-93
第七章 总结及展望  93-95
  7.1 本文的主要工作  93
  7.2 本文的不足和进一步的展望  93-95
参考文献  95-99
致谢  99-100
在攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文  100

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中图分类: > 航空、航天 > 航空 > 航空仪表、航空设备、飞行控制与导航 > 飞行控制系统与导航 > 飞行控制
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