基于FPGA的小型无人直升机飞行控制系统设计及实现

摘要

小型无人直升机用途十分广泛，在军事上，可用于制造虚拟目标、勘察敌情、打击敌人等；在民用上，主要用于高压线路检修、测绘、喷洒农药等。因此，近几年来，小型无人直升机受到越来越多的关注。因其难以操控，必须具有控制器才能自主飞行。本文以 FPGA为控制核心器件，研究了小型飞行控制系统设计和实现问题，主要开展了以下几方面工作：
　　1.根据国内外小型无人直升机飞行控制系统设计的研究现状，分析了小型无人直升机的起飞、悬停等状态，给出以 FPGA为控制核心器件的小型无人直升机飞控系统总体设计方案。
　　2.对采集的飞行数据应用最小二乘法拟合得出高度，俯仰角和翻滚角随控制量变化曲线。采用Z-N曲线的临界点法，得出了各通道PID参数值。针对小型无人直升机起飞依赖地面操控的问题，提出了一种高度与姿态同时控制自主起飞策略，降低了起飞难度。
　　3.以 FPGA为核心控制器件，制定了整体的硬件设计方案，包括最小单元控制板、系统电源、程序存储器、数据采集器等。针对其中舵机易受外部模拟信号干扰的问题，设计了独立的供电模块、信号隔离模块、手动自主切换模块。最后运用数据采集器，实现了飞行数据的实时采集。
　　4.根据制定的硬件设计方案，进行相应的软件设计，包括 SP I，UART，I2C与FPGA控制器的通信接口，FIFO数据缓存器、PWM信号编码器、PWM信号存储器等。其中，舵机控制采用PID算法。同时实现了小型无人直升机的自主起飞控制，并利用LabVIEW软件对小型无人直升机飞行进行3D动态实时检测、显示。验证了本课题的控制系统设计的正确性与有效性。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究意义

1.3 国内外研究的现状

1.4 论文主要研究内容

第2章 设计方案

2.1飞行系统分析、方案设计

2.2 控制对象

2.3 FPGA的选型

2.4 本章小结

第3章 基于数据拟合PID实现

3.1 飞行高度分析

3.2 飞行姿态角分析

3.3 飞行数据拟合和参数确定

3.4 自主起飞控制设计

3.5 本章小结

第4章 基于FPGA飞控硬件设计

4.1 硬件整体规划

4.2 FPGA核心电路设计

4.3舵机外围电路设计

4.4 数据采集模块

4.5 本章小结

第5章 基于FPGA飞控系统软件设计

5.1 FPGA软件设计

5.2 数据采集单元接口单元设计

5.3 FIFO数据读写控制器设计

5.4 PWM信号软件设计

5.5 PID模块实现

5.6 实际飞行测试

5.7 直升机实时动态显示设计

5.8 本章小结

总结与展望

（一）本论文的主要工作

（二）后期展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢

附录

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