基于Cortex-M7微处理器核心平台的无人机飞控系统

摘要

近年来，关于无人飞行机器的研究已经达到了白热化的程度。各种无人机系统架构在近几年都被争相提出。作为无人机的控制核心，无人机飞控平台肩负了众多复杂且特殊的任务，如对各种传感器外设的数据采集与上传、对伺服控制器的操作，无人机飞行过程中日志记录，与地面控制站进行通信等。因此，一个功耗较低、性能足够、可靠性高的无人机飞控平台是无人机系统的重中之重。本文针对目前市面上已有的各类飞控的具体缺点，基于目前最新架构Cortex-M7的SAMV71Q21微处理器，以NUTTX嵌入式实时OS作为飞控软件平台架构的底层基础，设计了一整套无人机飞控软硬件平台。本设计旨在提供一个无人机飞控整体系统的搭载平台，因此不涉及具体算法研究以及相应模块设计。
　　整个飞控平台可以从硬件架构和软件设计两个方面对其进行阐述。在硬件架构方面，由于要兼顾到低功耗、高性能以及接口丰富等特性的平衡统一，本文采用了ATMEL公司生产的基于Cortex-M7架构的SAMV71Q21微处理器作为飞控硬件的核心，外围接口的设计过程中则考虑到了无人机飞控平台中可能涉及到的各种接口，如RS485，I2C，SPI，CAN等，在硬件平台上都有相关接口提供。传感器模块则主要包括MTI姿态测量组件以及MS5803高精度气压计。无线通信模块方面提供SBUS接口，主要是用于接收SBUS遥控接收机信号以及输出SBUS信号，对云台进行控制及红外控制相机抓拍。同时还提供UART总线接口，用于飞控平台与地面站之间数传模块与图传模块的通信。
　　在软件设计方面，考虑到无人机对软件平台的可靠性、实时性的需求，本文采用了基于Nuttx实时嵌入式操作系统的软件平台设计方案。该系统采用类UNIX架构，具有完整任务调度模块、文件管理系统、内存管理模块，非常适合飞控平台复杂的外设情景以及多样化任务需求。同时引入解决进程间数据传输实时性问题的微对象代理进程间通信模块，该进程间通信系统为实时通信系统，承担传感器之间或传感器与上层应用之间的信息交互。这些措施使得软件平台能够达到较好的实时性、可移植性以及可靠性。
　　本文在完成了整套硬件平台及软件平台的搭建后,对飞控平台的硬件以及相关传感器网络、操作系统运行情况进行了验证与测试，最终验证整个飞控平台的可行性与实用性，而最后的飞行测试也证明了飞控系统能够符合项目设计需求。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究领域及背景

1.2 国内外发展现状

1.3 课题技术要求及主要工作

第二章 无人机飞控平台整体设计规划

2.1 引言

2.2 需求分析

2.3 硬件系统构成

2.4 软件系统设计

2.5 本章小结

第三章 飞控硬件平台分析与设计

3.1 引言

3.2 中枢控制模块

3.3 接口模块

3.4 传感器模块

3.5 无线通信模块

3.6 引擎控制模块

3.7 存储模块

3.8 本章小结

第四章 飞控软件平台架构方案与设计

4.1 引言

4.2 NUTTX嵌入式操作系统

4.3 传感器子系统

4.4 进程间通讯系统

4.5 MS5803驱动开发流程

4.6 本章小结

第五章 系统测试

5.1 引言

5.2 系统硬件测试

5.3 系统软件测试

5.4 实际飞行测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间学术成果