基于ARM的四旋翼无人机自动驾驶系统的研究

摘要

近些年来，随着科技的不断发展，无人机正逐步进入人们的生活当中。由于其操作灵活，机动性能好，使用方便等特点，被广泛应用于边防、侦查、民用、对地支援等很多领域。为了保证其在作业过程中能够实现自主稳定飞行，对自动驾驶系统的研究逐渐成为各国学者研究的中心领域。
　　本设计用的核心控制芯片是基于ARM核cortex M4的STM32F407ZGT6，最高主频可达168MHZ，内嵌DSP指令，具有运行处理速度快，模块接口丰富的优点。
　　首先，本文通过对四旋翼无人机的原理的介绍，分析其总体需求，将无人机分为主控制模块，无人机姿态感测系统，数据通信系统，供电系统与动力装置系统，地面站系统，基于这些功能模块设计了无人机的总体结构。
　　其次，建立四旋翼无人机的机体坐标系与地理坐标系，对无人机进行力学分析，并对其进行数学建模，同时利用四元数法对无人机采集到的姿态信息进行解算，并采用卡尔曼滤波算法得到最佳的姿态信息，同时设计PID控制器并采用MATLAB软件，对控制器的俯仰运动、滚转运动、偏航运动以及高度运动进行软件仿真，并对软件仿真得到的波形进行性能分析。
　　最后，通过前期的理论准备工作，对四旋翼无人机的硬件平台进行搭建，通过大量的飞行试验来调整控制参数P、I、D，得到最适合的参数，实现无人机稳定自主飞无人行的功能。对无人机的实际飞行数据做了分析，从实际效果来看，自动驾驶系统的飞行控制系统稳定，达到了预期的效果。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题来源和研究意义

1.2 四旋翼无人机的简介

1.3 四旋翼无人机的研究现状

1.4 论文的结构安排

1.5 本章小结

第二章 无人机自动驾驶系统的总体设计

2.1 自动驾驶仪的基本原理

2.2 飞行控制系统需求分析

2.3 自动驾驶系统的主要构成

2.4 自动驾驶系统的总体框架

2.5 本章小结

第三章 四旋翼无人机控制系统数学建模与仿真

3.1 四旋翼无人机飞行原理

3.2 四旋翼无人机的非线性模型

3.3 四旋翼无人机姿态算法研究

3.4 四旋翼无人机控制规律设计与仿真

3.5 本章小结

第四章 基于ARM的自动驾驶系统的硬件设计

4.1 自动驾驶系统的微控制器模块设计

4.2 传感姿态测量系统

4.3 数据通信系统

4.4 动力装置模块与供电系统设计

4.5 系统硬件实物总体搭建

4.6 本章小结

第五章 四旋翼无人机的飞行实验与结果

5.1 飞行实验

5.2 定高飞行实验

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢