本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的嵌入式飛行控制器設(shè)計

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【摘要】：飛行控制器作為無人飛行器的“大腦”,對無人飛行器的飛行品質(zhì)起絕對性作用,一直是航空控制領(lǐng)域研究的熱點。隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,嵌入式處理器性能不斷提升,各種嵌入式處理器逐漸應(yīng)用于飛行控制器的設(shè)計。本文采用理論分析和實踐應(yīng)用相結(jié)合的方法,實現(xiàn)了基于FPGA的嵌入式飛行控制器設(shè)計。首先,對搭載FPGA嵌入式飛行控制器的無人直升機飛行平臺進(jìn)行了機載飛行控制系統(tǒng)總體分析和設(shè)計,包括組合導(dǎo)航設(shè)備的選型、飛行器執(zhí)行機構(gòu)和動力裝置的選用、機載電源系統(tǒng)的構(gòu)建以及地面控制系統(tǒng)的配置等。其次,對嵌入式飛行控制器硬件系統(tǒng)進(jìn)行了功能需求分析,在此基礎(chǔ)上完成了外圍接口電路設(shè)計、核心模塊電路設(shè)計、電壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計、FPGA相關(guān)功能IP核設(shè)計和FPGA飛行控制器整體架構(gòu)的搭建。根據(jù)嵌入式飛行控制器軟件功能需求,以PID控制算法為基礎(chǔ),構(gòu)建了姿態(tài)角回路、軌跡回路、高度回路的控制律模型,以內(nèi)、外回路控制結(jié)構(gòu)形式設(shè)計的飛行控制律實現(xiàn)飛行器多模態(tài)飛行控制,改善和提高飛行器的穩(wěn)定性、操縱性及飛行品質(zhì),增強飛行安全性。然后在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計了控制器軟件系統(tǒng),FPGA飛行控制器的軟件分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是開發(fā)和運行應(yīng)用軟件的平臺;應(yīng)用軟件是實現(xiàn)FPGA飛行控制器數(shù)據(jù)通信模塊和飛行控制律模塊的主體。最后,通過姿態(tài)角控制回路和高度控制回路的試飛,對本文所設(shè)計的基于FPGA的嵌入式飛行控制器進(jìn)行了綜合驗證,并對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了記錄和分析,證明了本文所設(shè)計的基于FPGA的嵌入式飛行控制器的可行性。
【關(guān)鍵詞】：無人直升機 飛行控制器 FPGA PID 飛行試驗
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V279;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注釋表12-13
• 第一章 緒論13-18
• 1.1 研究背景13
• 1.2 研究目的13-15
• 1.3 嵌入式飛行控制器研究現(xiàn)狀15-16
• 1.4 本文核心和主要工作16
• 1.5 本文章節(jié)安排16-18
• 第二章 機載飛行控制系統(tǒng)總體架構(gòu)18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 飛行器平臺18-19
• 2.3 組合導(dǎo)航設(shè)備及傳感器19-21
• 2.3.1 慣性參考模塊19-20
• 2.3.2 差分GPS20-21
• 2.3.3 高度測量模塊21
• 2.4 飛行器執(zhí)行機構(gòu)和動力裝置21-22
• 2.4.1 舵機21
• 2.4.2 電機及電子調(diào)速器21-22
• 2.5 無線通訊模塊22-23
• 2.6 機載電源系統(tǒng)23
• 2.7 地面控制系統(tǒng)23-25
• 2.7.1 地面控制站23-24
• 2.7.2 人工操縱設(shè)備24-25
• 2.8 本章小結(jié)25-26
• 第三章 飛行控制器硬件系統(tǒng)26-50
• 3.1 引言26
• 3.2 硬件系統(tǒng)功能需求26-27
• 3.3 外圍接口電路27-30
• 3.3.1 電源轉(zhuǎn)換模塊電路27-28
• 3.3.2 數(shù)字量輸入輸出模塊電路28-29
• 3.3.3 通信模塊電路29-30
• 3.4 核心模塊電路30-35
• 3.4.1 SRAM存儲電路31
• 3.4.2 SDRAM存儲電路31-32
• 3.4.3 FLASH存儲電路32-33
• 3.4.4 EPCS存儲電路33
• 3.4.5 鐵定存儲器電路33-34
• 3.4.6 時鐘電路34-35
• 3.5 電壓監(jiān)測系統(tǒng)35-38
• 3.5.1 電壓監(jiān)測系統(tǒng)硬件35-37
• 3.5.2 電壓監(jiān)測系統(tǒng)軟件37-38
• 3.6 FPGA相關(guān)功能IP核38-44
• 3.6.1 PWM波捕獲IP核39-40
• 3.6.2 PWM波輸出IP核40-42
• 3.6.3 串口接收IP核42-43
• 3.6.4 串口發(fā)送IP核43-44
• 3.7 FPGA飛行控制器44-49
• 3.8 本章小結(jié)49-50
• 第四章 飛行控制律模型50-63
• 4.1 引言50
• 4.2 坐標(biāo)系50-52
• 4.2.1 常用坐標(biāo)系50-51
• 4.2.2 坐標(biāo)變換51-52
• 4.3 無人直升機操縱分配52-54
• 4.4 姿態(tài)角回路控制律模型54-58
• 4.4.1 俯仰角回路控制律模型54-55
• 4.4.2 滾轉(zhuǎn)角回路控制律模型55-57
• 4.4.3 偏航角回路控制律模型57-58
• 4.5 軌跡回路控制律模型58-61
• 4.5.1 縱向軌跡回路控制律模型59-60
• 4.5.2 橫向軌跡回路控制律模型60-61
• 4.6 高度回路控制律模型61-62
• 4.7 本章小結(jié)62-63
• 第五章 控制器軟件系統(tǒng)63-70
• 5.1 引言63
• 5.2 系統(tǒng)軟件63-64
• 5.2.1 軟件開發(fā)環(huán)境63
• 5.2.2 操作系統(tǒng)63-64
• 5.3 輔控制器軟件64-67
• 5.3.1 輔控制器IP核驅(qū)動64-66
• 5.3.2 輔控制器應(yīng)用任務(wù)66-67
• 5.4 主控制器軟件67-69
• 5.4.1 主控制器IP核驅(qū)動67-68
• 5.4.2 主控制器應(yīng)用任務(wù)68-69
• 5.5 本章小結(jié)69-70
• 第六章 試飛驗證70-74
• 6.1 靜態(tài)測試70
• 6.2 系留試飛70-71
• 6.3 飛行試驗及結(jié)果71-73
• 6.4 本章小結(jié)73-74
• 第七章 工作總結(jié)與展望74-76
• 7.1 研究工作總結(jié)74-75
• 7.2 工作不足與展望75-76
• 參考文獻(xiàn)76-78
• 致謝78-79
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文79

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1126190