面向偏振光传感器的无人机导航平台开发

摘要

本文以偏振光传感器在空中的导航测试为背景，在分析无人机导航平台的基本架构和控制理论的基础上，设计并实现一种面向偏振光传感器的无人机导航平台。
　　导航平台硬件部分主要由电源模块、飞控处理器模块、传感器模块、GPS模块、数据链路模块和接口模块构成，其中，传感器模块包括陀螺仪、加速度传感器、气压高度传感器和偏振光传感器。电源模块为系统提供稳定的供电;飞控处理器负责整个系统的控制管理和任务规划，对测量信息进行整合，结合控制指令或预设轨迹生成控制信号;传感器模块实现对飞机飞行状态的检测;GPS模块主要为系统提供位置信息;数据链路模块用于机载平台和地面站间的通信;接口模块实现数据和指令的传输。
　　导航平台软件部分采用模块化的设计思路，将整个软件系统按功能划分成不同模块，在程序运行的过程中，通过对各模块的调用实现相应的功能，采用I2C、SPI、USART等接口协议编程来实现传感器数据的读取和处理、GPS数据的接收和提取、遥控信号的接收和解码、航点参数的存储和提取、数传电台数据的接收和发送等功能，同时利用定时器和中断实现及时准确的系统响应。
　　在导航算法方面，采用方向余弦矩阵法进行姿态解算，建立导航坐标系到机体坐标系的方向余弦矩阵，并推导出方向余弦矩阵的微分方程。通过陀螺仪和加速度传感器分别对方向余弦矩阵进行更新，进而求解出姿态角。利用传感器在测量频率上互补的特性，采用互补滤波算法对姿态信息进行融合处理，有效地降低运动加速度和传感器漂移对测量结果的影响。结合经典的PID控制理论，对导航平台的控制原理进行研究，并设计出姿态保持与控制回路、高度保持与控制回路、航向保持与控制回路的具体实施方法。
　　在完成系统搭建和导航算法研究的基础上，对导航平台和偏振光传感器的导航性能进行测试，实验结果表明:本文设计的导航平台结构简单、性能稳定、响应速度快、容易扩展，能够实现偏振光传感器在空中的导航测试，并为以后偏振光传感器在飞行器上的导航应用奠定基础。

目录

论文说明

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 偏振光传感器介绍

1．3 无人机导航系统研究现状

1．3．1 无人机导航系统国外研究现状

1．3．1 无人机导航系统国内研究现状

1．4 本文主要研究内容及章节安排

2 导航平台总体方案设计

2．1 导航系统基本原理介绍

2．2 导航平台总体方案设计

2．2．1 地面控制系统

2．2．2 机载导航平台

2．3 导航平台实验载机介绍

2．4 本章小结

3 导航平台硬件设计

3．1 导航平台硬件总体设计

3．2 飞控处理器模块

3．2．1 飞控处理器选型

3．2．2 时钟电路

3．2．3 复位电路

3．2．4 启动设置电路

3．2．5 JTAG接口电路

3．2．6 外接存储器电路

3．3 电源模块

3．4 传感器模块

3．4．1 陀螺仪

3．4．2 加速度传感器

3．4．3 气压高度传感器

3．4．4 偏振光传感器

3．5 GPS模块

3．6 数据链路模块

3．6．1 数传电台

3．6．2 遥控器与接收机

3．7 接口电路设计

3．7．1 I2C总线电路设计

3．7．2 PPM接口电路设计

3．7．3 USART接口电路设计

3．7．4 PWM输出接口电路设计

3．8 本章小结

4 导航平台软件设计

4．1 导航平台软件总体设计

4．2 初始化模块

4．3 传感器数据采集模块

4．3．1 姿态传感器数据采集

4．3．2 偏振光传感器数据采集

4．3．3 气压高度传感器数据采集

4．4 PPM解码模块

4．5 GPS解码模块

4．6 数传电台收发模块

4．6．1 数传电台数据发送

4．6．2 数传电台数据接收

4．7 本章小结

5 导航平台导航算法研究

5．1 坐标系和姿态角定义

5．1．1 假设条件

5．1．2 坐标系定义

5．1．3 姿态角定义

5．2 方向余弦矩阵

5．2．1 方向余弦矩阵物理意义

5．2．2 方向余弦矩阵建立

5．2．3 方向余弦矩阵微分方程推导

5．3 姿态求解算法

5．3．1 利用角速度解算姿态

5．3．2 利用加速度解算姿态

5．3．3 互补滤波算法

5．4 飞行控制PID算法

5．4．1 姿态保持与控制

5．4．2 高度保持与控制

5．4．3 航向保持与控制

5．5 本章小结

6 导航平台实验

6．1 姿态测量实验

6．2 偏振光传感器实验

6．3 本章小结

结论

参考文献

附录A 电路板实物图

附录B 主程序流程图

附录C 有限状态机程序流程图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢