无人机飞行控制器设计及检测与控制技术研究

摘要

无人机在军民两用领域发挥着越来越重要的作用,进行民用无人机飞行控制器设计及检测与控制技术研究,具有理论意义、工程意义和经济意义.设计了飞行控制器嵌入式计算机系统的硬件,该硬件内核采用80C196KC单片机+PSD813的结构.对PSD(Programmable System Device)在控制器设计中的应用技术、单片机多串行口设计技术、硬件设计中的CPU任务量估计、CPU内核端口配置和元器件选用等问题进行了研究.提出了单片机多串行口设计方案的选择原则和CPU内核端口的配置原则.在控制器软件需求分析的基础上,提出了具有递阶体系结构的控制器软件设计方案.设计了具有组织级、分析决策级、执行级和支持级四个功能层次,具有飞控、测试和调参三种工作模式的控制器软件系统.提出了通讯协议的扩展原则,在甲方协议的基础上扩展了控制器的遥测协议、测试协议和调参协议.研究了通讯软件的实时性问题,利用就地帧识别和代码优化等技术,设计了具有较强实时性的串行通讯接收程序.研究了程序设计中NMEA0183格式数据的帧提取、和校验及解码技术,基于有限状态机理论设计了NMEA0183格式数据的帧提取程序.提出了基于分时机制的8路PWM波软件生成法.研究了利用GPS校准零点、带温度补偿的气压高度测量技术,通过曲线拟合与数字滤波技术,设计了具有较高分辨率的气压高度测量通道.介绍了三轴姿态传感器HMR3000在系统中的应用,设计了相应的接口电路和数字式滤波器.提出了基于GPS(Global Position System)和IGRF(International Geomagnetic Reference Field)的无人机磁航向地磁偏角修正方案,使无人机能够在全球范围内利用磁传感器获得子午线航向.给出了发动机转速的测量电路与计算方法.介绍了角速率补偿器的辨识过程,得到了补偿器的数学模型.研究了无人机的飞行控制技术,利用根轨迹法设计了无人机的纵向与侧向姿态保持控制律,设计了高度保持、航向保持、自动油门及速度保持控制律.介绍了控制器设计中采用的可靠性保障措施和机内自检测系统的构成与实现方案.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1无人机及其检测与控制技术概述

1.2课题来源与研究意义

1.3系统总体设计方案

1.4作者的主要工作及论文的特色与贡献

1.5论文结构安排

第二章飞行控制器硬件设计

2.1飞行控制器系统总体结构与硬件方案设计

2.2飞行控制器的CPU内核设计

2.3 PSD在无人机飞行控制器设计中的应用

2.4单片机系统多串行口设计方法研究与16C550的应用

2.5其他单元电路简介

2.6单片机硬件设计中的几个关键技术

本章小结

第三章飞行控制器软件设计

3.1飞行控制器软件需求分析

3.2飞行控制器软件总体设计——构成和实现

3.3飞行管理与控制软件的功能分层设计

3.4通讯协议扩展与强实时性串行数据接收程序设计

3.5 NMEA0183数据帧提取软件设计技术

3.6基于软件定时器的8路PWM波生成方法

本章小结

第四章飞行状态检测技术与关键测控部件的辨识

4.1带温度补偿的气压高度测量与滤波

4.2 HMR3000传感器、姿态角测量与滤波

4.3基于I6RF和GPS的地磁偏角修正方法

4.4发动机转速的测量

4.5基于GPS数据的空速计算

4.6角速率补偿器的辨识

本章小结

第五章无人机飞行控制方法研究

5.1无人机的小扰动线性化方程

5.2无人机的纵向控制与高度保持

5.3无人机的横侧向控制与航向保持

5.4无人机的油门控制与速度保持

本章小结

第六章无人机飞行控制器可靠性研究

6.1无人机飞行控制器可靠性设计

6.2飞行控制器机内自检测(BIT)系统设计

本章小结

总结与展望

附录A二维磁航向测量及误差修正研究

参考文献

作者在攻读硕士期间已发表和撰写的论文

致谢

西北工业大学学位论文知识产权声明书和原创性声明