基于DSP的无人机飞行控制系统硬件设计

摘要

小型无人机飞行控制系统作为无人机不可或缺的功能结构，对此，设计了一套以TMS320F28335为核心处理器的多个功能模块的构成的小型无人机飞行控制硬件系统，同时完成了相关的程序设计，最后利用姿态检测、控制算法，并加载扩展卡尔曼数字滤波(EKF)及数据融合算法，为实现飞行控制系统小型化而又高性能提供有利的硬件保障。
　　首先，通过中心控制单元实现了存储扩展电路、系统时钟及系统复位，提高了电路稳定性，增加了存储器容量，数据程序存储能力。此外，采用电源转换模块，实现了不同电压大小电源设计，匹配了电路供电需要；鉴于电路集成多个输入传感器的优势，开发了基于多通道开关量信号I/O电路；为了提高可扩展性，又设计了多通道信号片上和外扩A/D采集输入及其相应D/A转换输出；驱动控制实现了模拟量、PWM驱动两部分控制；采用多通道串口电路实现了片上串行通信、基于TL16C754A芯片的数据通信扩展；CPLD通过VHDL实现了逻辑控制和中断控制。通过数字模拟串行接口，增强了系统集成度。
　　其次，采用四元数捷联姿态解算，结合扩展卡尔曼数字滤波(EKF)及数据融合算法，完成姿态检测控制，实现了高精度姿态信号的输出。通过测试软件及驱动程序的开发设计，实现了对硬件系统接口通信和系统模块控制程序测试。针对系统的硬件调试设计了程序测试，PWM控制信号输出测试、电源性能的测试，对飞控系统进行PC机和地面控制站的调试和物理仿真。
　　最后，测试结果表明了设计方案的正确性与合理性，达到了飞控系统的结构与安全性能标准。对系统采用电磁抗干扰(EMC)措施，使系统硬件具有抗干扰能力，具备可靠性高、实时性好和体积小等优点，提升了小型无人机飞控系统的集成度和飞行控制稳定能力。

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第1章 绪论

1.1 无人机概况

1.2 飞行控制系统研究现状

1.3 本课题的研究意义及研究主要内容

1.4 论文内容安排

第2章 无人机飞行控制系统的硬件平台设计

2.1 飞控系统的总体设计方案

2.2 中心控制模块

2.3 模拟量采集与驱动控制模块

2.4 多串行口通信模块

2.5 中断和逻辑控制模块

2.6 开关量信号 I/O 模块

2.7 电源模块

2.8 本章小结

第3章 系统姿态检测算法和姿态控制算法研究

3.1 飞控姿态检测算法

3.2 飞控姿态位置控制算法

3.3 程序设计实现

3.4 本章小结

第4章 测试软件及驱动程序的开发设计

4.1 F28335的程序开发概述

4.2 外扩串口通信程序设计设计

4.3 PWM舵机控制信号设计

4.4 采集信号测试

4.5 本章小结

第5章 飞行控制系统硬件模块测试与分析

5.1 电源性能测试

5.2 PWM控制信号输出测试

5.3 多通道串口通讯模块的调试

5.4 开关量I/O模块的调试

5.5 信号采集与PWM驱动控制模块的测试

5.6 系统中电磁抗干扰(EMC)处理

5.7 物理仿真测试

5.8 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要研究工作

6.2 后续工作展望

参考文献

发表论文和参加科研说明

致谢

附录

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