本文選題：無人機自動駕駛儀 + ARM��； 參考：《沈陽航空航天大學》2016年碩士論文

【摘要】：近年來,小型無人機成為新的研究熱點,在軍用和民用方面的應(yīng)用前景十分廣闊。因此,本文針對小型無人機自動駕駛儀硬件電路設(shè)計和航姿算法進行研究。首先,本文論述了課題的研究背景及研究意義,簡單介紹了國內(nèi)外無人機自動駕駛儀的研究現(xiàn)狀以及多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展狀況,總述了本文的主要研究內(nèi)容。其次,針對小型無人機自動駕駛儀系統(tǒng)總體設(shè)計方案展開分析,介紹了無人機自動駕駛儀的原理,分析了設(shè)計需求,基于設(shè)計需求完成了硬件平臺和軟件驅(qū)動方案的設(shè)計。再次,詳細介紹了基于ARM處理器的小型無人機自動駕駛儀的硬件平臺和驅(qū)動軟件的設(shè)計方案。給出了核心控制單元、電源模塊、AHRS模塊、無線通信模塊、舵機驅(qū)動模塊的詳細電路原理圖和設(shè)計原理分析;然后簡單介紹了PCB及電磁兼容性方面的設(shè)計;最后設(shè)計了SPI接口、I2C接口、UART和PWM輸出的軟件驅(qū)動程序。之后,介紹了姿態(tài)解算的理論基礎(chǔ),包括坐標系定義、坐標系轉(zhuǎn)換、姿態(tài)更新算法等;然后完成了MEMS慣性傳感器的誤差標定和補償;最后提出了一種基于高斯牛頓和互補濾波(CF)算法相結(jié)合的航姿參考系統(tǒng)(AHRS)的設(shè)計方法。該算法使用四元數(shù)表征姿態(tài),使用MEMS傳感器測量的數(shù)據(jù),把角速率轉(zhuǎn)化為四元數(shù)變化率,然后對其積分得到四元數(shù),文中應(yīng)用高斯牛頓迭代算法計算得到最優(yōu)四元數(shù)。將計算得到的最優(yōu)四元數(shù)與利用陀螺儀數(shù)據(jù)得到的四元數(shù)結(jié)合,通過基于互補濾波算法的姿態(tài)求解器解算出姿態(tài)角。最后,對整個小型無人機自動駕駛儀系統(tǒng)的進行測試。基于開源上位機監(jiān)控系統(tǒng)對硬件平臺進行測試,包括電源、傳感器和PWM輸出測試;設(shè)計驗證試驗(仿真實驗和實物實驗)驗證姿態(tài)解算算法的可行性和準確性。大量實驗測試結(jié)果表明,小型無人機自動駕駛儀的硬件平臺和航姿解算算法可以滿足應(yīng)用需求。
[Abstract]:In recent years, small unmanned aerial vehicle (UAV) has become a new research hotspot, and has a wide application prospect in military and civilian applications. Therefore, the hardware circuit design and attitude algorithm of UAV autopilot are studied in this paper. Firstly, this paper discusses the research background and significance of the subject, briefly introduces the research status of UAV autopilot at home and abroad and the development of multi-sensor data fusion technology, and describes the main research contents of this paper. Secondly, the overall design scheme of UAV autopilot system is analyzed, the principle of UAV autopilot is introduced, and the design requirements are analyzed. Based on the design requirements, the hardware platform and software drive scheme are designed. Thirdly, the hardware platform and driving software of UAV autopilot based on arm processor are introduced in detail. The detailed circuit schematic diagram and design principle analysis of the core control unit, power module AHRS module, wireless communication module, steering gear driving module are given, and then the PCB and electromagnetic compatibility design are briefly introduced. Finally, the software driver of UART and PWM output from SPI interface and I 2C interface is designed. Then, the theoretical basis of attitude resolution is introduced, including coordinate system definition, coordinate system transformation, attitude updating algorithm, and error calibration and compensation of MEMS inertial sensor. Finally, a design method of attitude reference system (AHRS) based on Gao Si Newton and complementary filtering (CF) algorithm is proposed. The algorithm uses quaternion to represent attitude, uses data measured by MEMS sensors, converts angular rate into quaternion change rate, and then obtains quaternion by integrating it. The optimal quaternion is obtained by using Gao Si Newton iterative algorithm in this paper. The optimal quaternion is combined with the quaternion obtained from gyroscope data, and the attitude angle is calculated by the attitude solver based on complementary filtering algorithm. Finally, the whole UAV autopilot system is tested. The hardware platform is tested based on the open source host computer monitoring system, including power supply, sensor and PWM output test, and the feasibility and accuracy of the attitude calculation algorithm are verified by the design of verification test (simulation experiment and physical experiment). A large number of experimental results show that the hardware platform and attitude calculation algorithm of the UAV autopilot can meet the application requirements.
【學位授予單位】：沈陽航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V279

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本文編號：2050924