發(fā)布時間：2017-04-09 05:13

  本文關(guān)鍵詞：輕小型無人飛行器飛行控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在軍事和民用領(lǐng)域,無人飛行器(UAV)的應(yīng)用越來越廣泛。飛行控制系統(tǒng)是保證其正常飛行并且完成任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù),飛行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證是飛行器設(shè)計(jì)的最重要的環(huán)節(jié)。本文總結(jié)國內(nèi)外商業(yè)和開源飛行控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀,以輕小型無人飛行器控制功能需求出發(fā),以仿真為基礎(chǔ)開展了控制系統(tǒng)需求分析,并以此為依據(jù)開展了飛行控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、硬件制作、軟件開發(fā)、系統(tǒng)集成和地面半物理仿真驗(yàn)證。 首先,本文針對某型固定翼無人機(jī),研究其氣動特性和發(fā)動機(jī)推力特性,分析無人機(jī)的三軸氣動力和氣動力矩,建立完整的非線性6自由度模型,設(shè)計(jì)其內(nèi)環(huán)增穩(wěn)和外環(huán)導(dǎo)航控制律,應(yīng)用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)仿真驗(yàn)證。以此為基礎(chǔ),對無人飛行器飛行控制系統(tǒng)的基本性能、傳感器配置、舵面伺服系統(tǒng)性能、處理器和接口、系統(tǒng)實(shí)時性提出指標(biāo)要求。 其次,設(shè)計(jì)了以ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407處理器為核心的自主飛行控制系統(tǒng),集成數(shù)據(jù)采集通信接口、舵機(jī)驅(qū)動接口、數(shù)傳電臺模塊、TF卡接口和網(wǎng)絡(luò)接口,完成了系統(tǒng)硬件的制作、焊接、組裝與調(diào)試,集成系統(tǒng)的軟件和硬件,并按照控制律設(shè)計(jì)框圖編寫嵌入式控制律軟件,完成飛行控制系統(tǒng)的研發(fā)與制作。 本文創(chuàng)新性地提出了“對稱式飛行測試”的思想,組建實(shí)時的半物理仿真環(huán)境。將飛機(jī)氣動力特性和非線性6自由度方程編寫成C代碼,編譯并下載到計(jì)算機(jī)中運(yùn)行,根據(jù)視景軟件的網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議驅(qū)動飛行仿真界面,同時與飛行控制系統(tǒng)組成半物理閉環(huán)仿真系統(tǒng),將得到的結(jié)果與數(shù)字閉環(huán)仿真的結(jié)果比較,驗(yàn)證了“對稱式”飛行測試系統(tǒng)的仿真精度,完成飛行控制系統(tǒng)功能要求,滿足飛行控制系統(tǒng)前期研究驗(yàn)證的需求。 本文以某型無人機(jī)平臺為工程案例進(jìn)行開發(fā),驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能指標(biāo)滿足飛行控制系統(tǒng)的研發(fā)需求,其技術(shù)可以推廣應(yīng)用到類似無人飛行器的飛行控制系統(tǒng)中。同時該系統(tǒng)成本低廉,適用于一般的應(yīng)用場合。
【關(guān)鍵詞】：無人飛行器 飛行控制系統(tǒng) ARM Cortex-M4 半物理仿真
【學(xué)位授予單位】：沈陽航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V249.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 概述10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 輕小型無人飛行器飛行控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3 輕小型無人飛行器飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)15-16
• 1.4 飛行控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案16-22
• 1.4.1 飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析16
• 1.4.2 嵌入式飛行控制計(jì)算機(jī)16-20
• 1.4.3 半物理(Hardware-In-the-Loop,HIL)仿真系統(tǒng)分析20-21
• 1.4.4 總體方案設(shè)計(jì)21-22
• 1.5 研究內(nèi)容和章節(jié)安排22-24
• 第2章 無人飛行器控制需求與仿真分析24-43
• 2.1 無人飛行器介紹24-25
• 2.2 無人飛行器氣動力和力矩分析25-27
• 2.3 無人飛行器發(fā)動機(jī)模型假設(shè)27-28
• 2.4 無人飛行器非線性6自由度方程28-31
• 2.5 無人飛行器的配平31-33
• 2.6 無人飛行器控制律設(shè)計(jì)及數(shù)字仿真驗(yàn)證33-41
• 2.6.1 內(nèi)環(huán)控制律設(shè)計(jì)33-35
• 2.6.2 外環(huán)控制律設(shè)計(jì)35-37
• 2.6.3 閉環(huán)仿真測試37
• 2.6.4 數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)延遲及噪聲分析37-41
• 2.7 無人飛行器控制需求分析41-43
• 第3章 飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)43-66
• 3.1 飛行控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)43-54
• 3.1.1 飛行控制計(jì)算機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)43-45
• 3.1.2 串行接口電路設(shè)計(jì)45-46
• 3.1.3 PWM輸入輸出接口設(shè)計(jì)46-47
• 3.1.4 控制器局域網(wǎng)CAN總線接口設(shè)計(jì)47
• 3.1.5 TF卡接口電路設(shè)計(jì)47-48
• 3.1.6 網(wǎng)口電路設(shè)計(jì)48
• 3.1.7 傳感器接口電路設(shè)計(jì)48-52
• 3.1.8 電源電路設(shè)計(jì)52-54
• 3.2 電磁兼容性設(shè)計(jì)54
• 3.3 PCB設(shè)計(jì)與布線54-56
• 3.4 驅(qū)動軟件的設(shè)計(jì)56-62
• 3.4.1 系統(tǒng)啟動流程及初始化56
• 3.4.2 PWM輸出與采集驅(qū)動設(shè)計(jì)56-57
• 3.4.3 I/O端口模擬I2C驅(qū)動設(shè)計(jì)57-58
• 3.4.4 TF卡驅(qū)動設(shè)計(jì)及FatFS文件系統(tǒng)的移植58-60
• 3.4.5 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動設(shè)計(jì)及UDP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)60-62
• 3.5 應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)62-66
• 3.5.1 飛行控制邏輯設(shè)計(jì)62-64
• 3.5.2 飛行控制律軟件設(shè)計(jì)64-66
• 第4章 半物理仿真系統(tǒng)的搭建66-73
• 4.1 視景軟件介紹66-67
• 4.2 視景軟件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議介紹67
• 4.3 仿真軟件的編寫67-70
• 4.4 開環(huán)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果70-73
• 第5章 “對稱式”測試系統(tǒng)閉環(huán)仿真驗(yàn)證73-80
• 5.1 系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試73-74
• 5.2 系統(tǒng)延時及噪聲分析74
• 5.3 半物理仿真與軟閉環(huán)仿真比較74-80
• 結(jié)論80-83
• 參考文獻(xiàn)83-86
• 致謝86-87
• 攻讀碩士期間發(fā)表（含錄用）的學(xué)術(shù)論文87-88

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：294521