基于DSP的超小型无人驾驶旋翼机增稳控制系统

摘要

超小型无人旋翼机在军用和民用方面都具有广泛的应用价值，一直以来都是国内外很多机构和组织的研究对象。无人机可以完成各种复杂的运动以及空中航拍等目的，而无人飞机的姿态稳定是前提，而无人机本身确是一个不稳定系统，因此有必要设计一个无人机增稳控制系统，实现无人机的飞行稳定。 本文以超小型无人旋翼机作为增稳控制系统设计的开发平台。采用DSP做为主芯片控制开发相关的核心算法以及各个模块的处理，无线接收机模块接收飞行控制指令，同时由两轴陀螺仪，水平仪，数字罗盘，GPS采集无人机姿态信息作为反馈信号，在系统中对这两个信号进行比较得到控制律偏差，根据实际情况DSP对这偏差进行智能PID算法运算，就可以解算出控制舵机的信号量，达到增稳的效果。 为实现超小型无人旋翼机的悬停飞行下的稳定性控制。首先，分析了无人机空间坐标系的描述及转换，推导出了无人机横向以及侧向飞机的动力学方程以及运动学方程，并把它转化成状态空间表达式，然后分析了无人机的静态稳定性条件，这是超小型无人旋翼机的增稳设计基础；随后从控制原理的角度分析设计了实现无人机两轴增稳控制的系统结构方框图。硬件方面，考虑无人机小型化，可靠性等的特点，设计了基于TMS320LF2407微处理制器的无人机增稳控制系统的整个硬件框架，选择了合适的外围设备、元器件和传感器，设计了飞控制电路，制作了控制四层PCB电路板。软件方面，针对系统要求，探讨了控制软件设计的基本思想，对软件各部分进行了设计，阐述了传感器信号的检测与处理方法，编写了相应的程序代码，对核心的智能PID算法进行不断的调试优化。最后，对俯仰和横滚两轴的增稳控制回路用MATLAB/Simulink进行仿真实验。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1. 课题来源

1.2. 课题研究的意义

1.3. 超小型旋翼机系统的研究现状及分类

1.4. 论文的主要研究内容

第二章基本控制原理

2.1无人机空间运动的描述

2.1.1 无人机的坐标系变换

2.1.2 无人机线性化运动方程的状态空间表达式

2.1.3 超小型旋翼机系统的动力学特点

2.2旋翼机的飞行原理及控制系统

2.2.1 无人机的结构分析

2.2.2 直升机的操纵原理

2.2.3 飞机的操纵机构

2.2.4 无人机的控制系统结构和控制回路

2.3无人机的稳定性

2.3.1 无人机纵向静稳定性

2.3.2 无人机横向静稳定性

2.4本章小节

第三章飞控系统硬件设计

3.1系统框架

3.2系统控制硬件设计

3.2.1 晶振及锁相环电路

3.2.2 电源供电模块

3.2.3 传感器模块

3.2.4 GPS接收模块

3.2.5 串口模块

3.2.6 数字电子罗盘模块

3.2.7 电平转换模块

3.2.8 接收机控制信号输入模块

3.2.9 安全模式切换与舵机控制电路

3.3电路板设计

3.3.1 模块化电路设计

3.3.2 抗震与均衡性设计

3.3.3 抗干扰的设计

3.3.4 PCB板设计

3.4本章小结

第四章 飞控软件设计

4.1 基本设计思想

4.2软件总体框架

4.2.1 控制主程序

4.2.2 控制节拍

4.3子程序模块设计

4.1.1 串口程序模块

4.1.2 GPS模块串口程序

4.1.3 数字电子罗盘串口程序

4.1.4 A／D采样与预处理

4.1.5 陀螺仪及水平仪数据处理

4.1.6 姿态解算与控制律设计

4.4本章小结

第五章无人机的PID实现

5.1常规PID介绍

5.1.1 位置式PID控制算法

5.1.2 增量式PID控制算法

5.2改进型PID控制算法

5.2.1 不完全微分的PID算法

5.2.2 积分分离PID算法

5.2.3 变速积分PID算法

5.2.4 带死区的PID算法

5.3智能PID控制

5.4 PID控制器的参数整定方法

5.4.1 临界比例度法

5.4.2 阶跃曲线法

5.4.3 衰减曲线法

5.5本章小结

第六章 无人机增稳控制系统设计及仿真

6.1飞行控制系统结构分析

6.2纵向控制系统设计方案

6.2.1 俯仰姿态控制结构

6.2.2 俯仰角保持的控制律设计

6.2.3 俯仰角姿态保持仿真研究

6.3横向控制系统设计方案

6.3.1 倾斜姿态保持／控制模态

6.3.2 俯仰角保持的控制律设计

6.3.3 倾斜角姿态保持仿真研究

6.4本章小结

第七章总结与展望

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文及专利

作者在攻读硕士学位期间参与研究的科研项目

致 谢

参考文献