无人侦察机自动驾驶仪控制系统研究

摘要

无人机的诞牛与发展是世界科技的伟大进步，由于其特殊的功能和应用领域，成为了世界各国的宠儿，并且为其投入了巨大的努力。正是几代人的不懈研究，促使了无人机功能不断的完善，逐步向小型化、智能化、高攻击性和隐形性方面转型。现代化的无人驾驶飞机摆脱了单一的军事应用，向民用方面发展，在诸多的方面，起到了重大的作用。本论文以无人机为研究背景，重点介绍自动驾驶仪的控制系统研究。
　　 自动驾驶仪是无人机的核心，是根据技术要求和任务自动控制飞行器轨迹的设备，其作用主要是保持飞机姿态和辅助驾驶员操纵飞机。通常，无人机自动控制系统包括处理器、检测元件和执行机构，通过它们的协调作用，完成飞行器的各种功能。自动控制系统的优劣决定了飞行器性能好坏。本论文将对自动驾驶仪硬件组成设计以及控制算法方面做出研究，以高性能、低功耗ARM芯片为嵌入式处理器，结合各种MEMS微传感器以及经典控制理论，设计出满足一定功能要求的自动驾驶仪。
　　 论文主要从系统的硬件开发和飞行控制规律两个方面进行详细的研究，并阐述了姿态信号的滤波以及解算方法。主要内容包括：一、分析近几年国内外无人机和自动驾驶仪的发展状况，了解先进的控制方法，结合基于MEMS传感器的自动驾驶仪技术特点与优势，确定设计方案。二、整体说明自动驾驶仪控制系统的硬件组成，分析总体结构，分别介绍处理器、陀螺仪、三轴加速度计、GPS和气压高度计的特点与电路设计，根据所定的无人机功能和指标，完成硬件平台的设计。三、选择合适的空间坐标系，根据无人机飞行时的受力与力矩情况，从纵向和横侧向两个方面建立状态空间方程，应用小扰动原理对方程进行线性化处理。四、根据实际参数建立纵向和横侧向线性状态空间方程，验证方程自身的收敛性，分别在俯仰控制通道、高度控制通道、横滚控制通道和航向控制通道应用PID控制器，观察系统时间相应曲线，分析控制器功能和控制策略的正确性。五、利用kalman滤波原理对传感器输出信号进行处理，抑制高频噪声信号干扰，减少误差。再对滤波后的信号使用四元素方法进行姿态解算，得到所利用的角度信号，同时详细地阐述飞机的协调控制过程和控制方法。
　　 经过仿真验证和实际地分析，所设计的自动驾驶仪控制系统性能完好，控制策略正确，控制方法可以实际应用。