小型无人机测控系统设计与实现

摘要

小型无人机因具有结构简单、控制灵活、性价比高的特点正在得到日益广泛的应用。飞行测控系统作为无人机系统的重要组成部分，就其开发过程中所涉及的关键技术进行研究，对小型无人机的工程应用有重要意义。 本文以工程实际中的小型四旋翼无人机为应用平台，在总结国内外小型无人机研究现状的基础上，开展了小型无人机飞行控制系统的设计和研究。 首先，根据无人机的应用需求，提出飞行测控系统的总体方案。系统总体分为两个部分：机载控制器和地面测控系统，其中机载控制器完成无人机姿态检测和飞行控制功能；地面测控系统通过无线通信线路实现机上信息和地面指令的数据交互。随后对实验平台所采用的四旋翼无人机机体结构和飞行原理进行了分析。 其次，按照飞行测控系统的总体结构，对机载控制器的硬件系统进行了模块化设计。控制器以STM32F407微处理器为主控制模块，同时集成MEMS传感器模块、无线通信模块、GPS定位模块以及电机输出控制模块，设计了相关外围电路，完成硬件设计。 再次，详细介绍了飞行测控系统的软件设计。针对四旋翼无人机的飞行特点，本文设计了一套基于四元数和多传感器融合的姿态解算系统，对无人机姿态角进行解算，并使用双闭环PID控制器进行飞行姿态控制，实现无人机的稳定飞行。随后根据系统功能要求完成机载控制器与地面站系统的软件设计。 最后，对设计的无人机测控系统进行地面和飞行实验，实验结果验证了系统各模块与算法设计的有效性。

目录

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2国内外研究状况

1.3本文主要研究内容

2 飞行测控系统总体设计

2.1无人机飞行测控系统需求分析

2.2飞行测控系统总体结构

2.3四旋翼无人机飞行原理分析

2.4无人机机体结构设计

2.4本章小结

3 控制器硬件系统设计

3.1主控制器模块设计

3.2传感器模块设计

3.3无线通信模块

3.4电源模块设计

3.5电机驱动模块

3.6本章小结

4 控制算法设计与软件实现

4.1姿态解算算法

4.2姿态融合算法的设计与实现

4.3 PID控制算法设计

4.4控制器软件设计

4.5本章小结

5 地面站软件设计与飞行试验

5.1地面站设计

5.2飞行试验与结果分析

5.3本章小结

6 总结与展望

6.1工作总结

6.2工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢