电动直升机自主飞行控制系统设计与实现

摘要

电动直升机具有垂直起降、空中悬停和巡航飞行的能力，并且操作容易，成本低，广泛应用于洪水、地震等紧急情况的处理。本文以设计一种电动直升机自主飞行控制系统为课题，主要研究了飞行控制硬件、软件设计，简单分析了动力学模型及控制器设计。本篇文章的主要内容概括如下:
　　本文首先介绍了无人直升机的背景及意义，在了解国内外研究现状与发展趋势的基础上，针对电动直升机的特点，给出了系统总体的方案设计，并给出了飞行控制系统硬件的总框架。阐述了飞行控制板电路设计，介绍了UBEC、传感器硬件系统、RGB指示灯、OLED_SD模块等电路设计和PCB布局。
　　在介绍了飞行控制系统硬件设计的基础上，讨论了与之相对应的嵌入式软件系统设计。给出了飞行控制系统软件的整体框架;介绍了飞行控制板软件设计，其中对通讯软件、电压检测和固件升级做了具体介绍;阐述了AHRS、GPS模块、磁罗盘模块、RGB指示灯和OLED SD模块的软件设计。
　　在完成软硬件设计的基础上，主要分析了电动直升机机体动态系统结构;讨论了主旋翼和稳定杆的动力学;对电动直升机的线运动和姿态运动进行了分析;建立了电动直升机的动力学模型，并通过MATLAB中的系统辨识工具箱进行系统辨识;探讨了线性二次积分的控制方法，并完成控制系统的设计。
　　在软硬件和控制器设计完成后，本文首先对飞行控制平台的软硬件的可行性进行实验验证，然后通过无线电小型直升机STGLE搭载本文设计的电动无人直升机控制系统进行室外飞行试验，记录STGLE室外飞行的实验数据，完成了电动直升机的自主飞行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．3 本文研究内容和组织结构

第二章 系统总体方案设计

2．1 航空电子设备系统结构

2．2 系统需求分析

2．3 系统设计思路

2．3．1 飞行控制系统硬件方案设计

2．3．2 飞行控制系统软件方案设计

2．3．3 电动直升机飞行控制方案设计

2．4 本章小结

第三章 飞行控制系统硬件设计

3．1 飞行控制系统硬件设计总框架

3．2 UBEC电源模块设计

3．3 飞行控制板硬件设计

3．3．1 飞控板供电电路设计

3．3．2 MCU工作电路及其外设电路设计

3．3．3 模块接口及转换接口电路设计

3．3．4 上层转换板电路设计

3．4 传感器系统硬件设计

3．4．1 AHRS硬件设计

3．4．2 GPS模块硬件设计

3．4．3 地磁计模块硬件设计

3．5 RGB指示灯硬件设计

3．6 OLED_SD模块硬件设计

3．7 PCB布局

3．8 本章小结

第四章 飞行控制系统软件设计

4．1 飞行控制系统软件设计总框架

4．2 飞行控制板软件设计

4．2．1 通信软件设计

4．2．2 电压检测软件设计

4．2．3 IAP固件升级软件设计

4．3 传感器系统软件设计

4．3．1 AHRS软件设计

4．3．2 GPS模块软件设计

4．3．3 地磁计模块软件设计

4．4 RGB指示灯软件设计

4．5 OLED_SD模块软件设计

4．5．1 OLED软件设计

4．5．2 SD卡软件设计

4．6 本章小结

第五章 电动直升机飞行控制设计

5．1 自主飞行实现方案

5．2 电动直升机建模

5．2．1 电动直升机的动态系统

5．2．2 主旋翼和稳定杆的动力学

5．2．3 线运动和姿态运动分析

5．2．4 动力学模型及参数辨识

5．3 控制器设计

5．3．1 姿态控制器设计

5．3．2 速度控制器设计

5．3．3 位置控制器设计

5．4 本章小结

第六章 实验及实验结果分析

6．1 地面站控制系统

6．2 飞行控制系统软硬件实验

6．2．1 UBEC电源模块实验

6．2．2 OLED_SD模块实验

6．2．3 传感器系统实验

6．3 控制飞行实验

6．3．1 姿态控制飞行实验

6．3．2 速度控制飞行实验

6．3．3 位置控制飞行实验

6．3．4 基于GPS的自主飞行实验

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

作者简介

附录