小型无人直升机电子系统和控制器设计

摘要

微小型无人直升机因其体积小、重量轻、隐蔽性和机动性好、易实现悬停和超低空飞行，在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。目前，微小型无人直升机自主悬停和飞行研究吸引了国内外众多研究组织和机构。
　　然而开发一套无人直升机控制系统有诸多的难题。第一，直升机自身的不稳定性使其对控制输入的反映非常灵敏，所以需要高频率的反馈信号使其稳定。第二，在直升机动力学特性在飞行的时候存在不稳定、多变量、高度耦合和变化大等问题，这增加了控制器的设计难度。第三，由于直升机的电源和载重有限，所以飞行控制系统必须具备高度集成、高效和重量轻的特点，使其更易于集成到直升飞机上。第四，直升机具有高危险，这将影响到飞行实验的安全。
　　针对以上的困难，本文的目标是设计一套综合了硬件、软件和控制算法的自主飞行控制系统，并将其安装在遥控直升机模型上。本文提出并实现了一种以ARM&AVR为硬件核心，包括系统传感器数据采集电路、串口扩展电路、舵机控制电路、电源电路等硬件功能模块，在此基础上辅以传感器数据采集、控制信号采集、数据存储和飞行控制算法等系统软件。由于是在没有动力学模型的基础上设计控制器，我们结合同类型直升机的模型软件设计了一套仿真软件。基于PID串级控制的控制器不仅取得了良好的仿真结果，并已成功应用在实际控制中。这套自主飞行控制系统很好的实现了悬停和低速飞行。

目录

小型无人直升机电子系统和控制器设计

THE DESIGN OF AVIONICS SYSTEM AND CONTROLLER FOR SMALL UNMANNED HELICOPTER

摘 要

ABSTRACT

NOMENCLATURE

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

CHAPTER1 INTRODUCTION

1.1 Goal and Motivation

1.2 Overview of UAV Research

1.3 Relevant Research

1.4 Dissertation Overview

CHAPTER2 HARDWARE DESIGN AND INTEGRATION

2.1 Airframe

2.2 Sensors

2.3 Flight Computer Design

2.4 Overall System Setup

2.5 System Test

CHAPTER3 SOFTWARE DESIGN

3.1 Software Architecture

3.2 Servomotor control

3.3 PWM Signal Collection

3.4 SPI Communication

3.5 Safe Mode

CHAPTER4 FLIGHT CONTROL SYSTEM DESIGN

4.1 The Classical Control System

4.2 Controller Design

CHAPTER5 OUTDOOR FLIGHT EXPERIMENTS

5.1 Experimental Approach

5.2 Experimental Results

CHAPTER6 CONCLUSIONS AND FUTURE WORK

6.1 Conclusions

6.2 Future Work

REFERNCES

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ACKNOWLEDGEMENTS