多旋翼无人机智能控制芯片的关键模块设计与验证

摘要

近年来，由于多旋翼无人机具有结构简单、体积小、安全性高、垂直起降、空中悬停等优点，被广泛的应用于地图测绘、森林灭火、公路巡查、活动航拍等各个领域。目前，市场上已经有大量的多旋翼无人机，其中大部分的产品都是采用ARM内核的芯片和软件编程来控制飞行。但是，通过软件对数据采集和处理有速度慢和精度低等缺点，这严重影响了飞行器的智能控制；同时软件处理系统的功耗大，降低了无人机的续航时间。
　　为了解决上述缺陷，实验室成立了专用飞行控制芯片设计小组，而本文通过对多旋翼无人机系统的研究与分析，设计了该芯片中姿态传感器数据处理模块、GPS数据解码模块、遥控舵机系统控制模块等关键模块，实现了外设与控制芯片的数据通信、传感器数据的滤波与校准、外设的智能控制。
　　姿态传感器数据处理模块：通过分析系统中陀螺仪、加速度计、磁力计的采集数据，得出三个传感器的输入数据存在随机漂移误差，陀螺仪和磁力计有较大的零位偏移。根据姿态解算要求，采用平滑滤波消除三个传感器的随机漂移，均值法估算陀螺仪的零位偏移，椭圆拟合法校准磁力计，二阶温度补偿法校准气压计的偏差；建立数据的自动刷新、串行处理、同步输出方案。设计各算法的硬件电路和I2C、SPI等基本通信接口电路，通过基于ZYNQ7Z020的板级验证，得出接口的数据采集和处理速率相比软件提高了51.6％。
　　GPS数据解码模块：设计GPS模块的UART通信接口电路；根据NMEA协议的数据帧格式，将数据信息分为三类，并建立相应的解码方案；采用五级硬件结构实现解码方案，同时设计同步输出校验和电路；通过软件仿真和板级验证得出电路功能正确，且相对于软件解码可做到高频实时输出数据。
　　遥控舵机系统控制模块：利用示波器采集接收机的PWM信号，分析信号中包含的毛刺和噪声，并根据PID对输入通道数据的处理要求设计了遥控器接收模块；根据无人机飞行模式，对通道值进行编码，包含电机调试、锁定、正常飞行三个模式；根据无人机的工作模式和PID输出值与电机通道值的转换关系，设计电调的智能控制模块。基于ZYNQ7Z020搭建遥控舵机系统调试平台，通过Vivado软件编程和Chipscope软件在线观察板级验证结果。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 国内外的发展概况

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 本文的主要研究内容

第2章 外设系统简介及通信接口的设计

2.1 引言

2.2 无人机外设系统简介

2.3 UART接口设计与验证

2.4 I2C接口设计与验证

2.5 SPI接口设计与验证

2.6 本章小结

第3章 姿态传感器的数据处理模块设计

3.1 引言

3.2 传感器简介

3.3 九轴数据读取的电路设计

3.4 传感器的误差分析与滤波校准

3.5 九轴数据处理的电路设计

3.6 气压计的数据读取与补偿算法的电路设计

3.7 设计仿真与板级验证

3.8 本章小结

第4章 基于NMEA协议的GPS解码模块设计

4.1 引言

4.2 NMEA协议解码算法

4.3 NMEA协议解码电路设计

4.4 同步校验电路设计

4.5 设计仿真与板级验证

4.6 本章小结

第5章 遥控舵机系统的控制模块设计

5.1 引言

5.2 遥控器接收机模块设计

5.3 通道编码模块设计

5.4 电机控制模块设计

5.5 设计仿真与板级验证

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢