无人飞行器嵌入式数字飞行控制系统实现、验证与应用

摘要

旋翼类无人飞行器，尤其是单旋翼带尾桨布局的小型无人直升机能够垂直起降、空中悬停、低速前飞、后飞、侧飞和沿复杂轨迹飞行，在具备优异飞行特性的同时也具有较差的稳定性，使其控制面临极大困难与挑战。本文以此为基本研究对象，对无人机嵌入式数字飞行控制系统的设计、验证和应用进行了探究。
　　首先对被控对象进行硬件需求分析，构思了飞行控制系统的硬件基本架构。设计并制作了专用的可编程电源转换板和以STM32F407VG为核心的嵌入式控制电路板，编制了底层驱动软件，实现了预定功能。
　　而后对IMU传感器校正方法进行了探索，获得了准确的输出数据，并以四元数算法实现了陀螺仪姿态角的解算。探索并对比了PID、互补滤波和卡尔曼滤波三种姿态修正融合算法，选择了性能最优的卡尔曼滤波融合配合四元数算法作为课题的姿态解算算法。
　　其三选用模糊PID控制器进行了飞行控制律设计，搭建了姿态和位置控制回路并以keil MDK平台编制了飞控程序。为方便调试，编制了基于C＃平台的专用地面站软件，提出了独特的参量基地址表法统一管理所有返回参量。以模块化组件加多窗体显示，主窗体汇总的模式实现了预定的参数接收、交互显示、数据存取和控制调参功能，并使地面站软件具备了极高的通用性、兼容性和模块化能力。
　　最后对被控对象进行了简要的动力学建模获得了被控对象线化模型，编制了仿真软件进行半物理仿真实验，验证了飞行控制系统的有效性，并将设计的飞行控制系统运用到了实际项目当中。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究目的与意义

1.2无人机自主控制系统概述

1.3国内外研究现状

第二章 硬件电路与底层驱动

2.1引言

2.2硬件电路设计

2.3硬件电路板实现

2.4底层驱动开发

第三章 姿态与位置导航解算

3.1引言

3.2传感器校正

3.3姿态导航解算

3.4位置导航解算

第四章 控制器与控制回路

4.1引言

4.2控制器

4.3控制回路

4.4编程实现

第五章 地面站软件设计

5.1引言

5.2总体设计

5.3详细设计

5.4小结

第六章 半物理仿真验证与应用

6.1引言

6.2仿真平台搭建

6.3半物理仿真验证

6.4实际应用

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文