本文關鍵詞：多旋翼無人機智能控制芯片的關鍵模塊設計與驗證

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【摘要】：近年來,由于多旋翼無人機具有結構簡單、體積小、安全性高、垂直起降、空中懸停等優(yōu)點,被廣泛的應用于地圖測繪、森林滅火、公路巡查、活動航拍等各個領域。目前,市場上已經有大量的多旋翼無人機,其中大部分的產品都是采用ARM內核的芯片和軟件編程來控制飛行。但是,通過軟件對數(shù)據(jù)采集和處理有速度慢和精度低等缺點,這嚴重影響了飛行器的智能控制;同時軟件處理系統(tǒng)的功耗大,降低了無人機的續(xù)航時間。為了解決上述缺陷,實驗室成立了專用飛行控制芯片設計小組,而本文通過對多旋翼無人機系統(tǒng)的研究與分析,設計了該芯片中姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、GPS數(shù)據(jù)解碼模塊、遙控舵機系統(tǒng)控制模塊等關鍵模塊,實現(xiàn)了外設與控制芯片的數(shù)據(jù)通信、傳感器數(shù)據(jù)的濾波與校準、外設的智能控制。姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理模塊:通過分析系統(tǒng)中陀螺儀、加速度計、磁力計的采集數(shù)據(jù),得出三個傳感器的輸入數(shù)據(jù)存在隨機漂移誤差,陀螺儀和磁力計有較大的零位偏移。根據(jù)姿態(tài)解算要求,采用平滑濾波消除三個傳感器的隨機漂移,均值法估算陀螺儀的零位偏移,橢圓擬合法校準磁力計,二階溫度補償法校準氣壓計的偏差;建立數(shù)據(jù)的自動刷新、串行處理、同步輸出方案。設計各算法的硬件電路和I2C、SPI等基本通信接口電路,通過基于ZYNQ 7Z020的板級驗證,得出接口的數(shù)據(jù)采集和處理速率相比軟件提高了51.6%。GPS數(shù)據(jù)解碼模塊:設計GPS模塊的UART通信接口電路;根據(jù)NMEA協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式,將數(shù)據(jù)信息分為三類,并建立相應的解碼方案;采用五級硬件結構實現(xiàn)解碼方案,同時設計同步輸出校驗和電路;通過軟件仿真和板級驗證得出電路功能正確,且相對于軟件解碼可做到高頻實時輸出數(shù)據(jù)。遙控舵機系統(tǒng)控制模塊:利用示波器采集接收機的PWM信號,分析信號中包含的毛刺和噪聲,并根據(jù)PID對輸入通道數(shù)據(jù)的處理要求設計了遙控器接收模塊;根據(jù)無人機飛行模式,對通道值進行編碼,包含電機調試、鎖定、正常飛行三個模式;根據(jù)無人機的工作模式和PID輸出值與電機通道值的轉換關系,設計電調的智能控制模塊。基于ZYNQ 7Z020搭建遙控舵機系統(tǒng)調試平臺,通過Vivado軟件編程和Chipscope軟件在線觀察板級驗證結果。
【關鍵詞】：多旋翼無人機 接口 濾波與校準 NMEA協(xié)議 PWM
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V279;V249.1
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 緒論10-14
• 1.1 課題背景10-11
• 1.2 國內外的發(fā)展概況11-12
• 1.2.1 國外的研究進展11-12
• 1.2.2 國內的研究進展12
• 1.3 課題研究的目的和意義12-13
• 1.4 本文的主要研究內容13-14
• 第2章 外設系統(tǒng)簡介及通信接口的設計14-29
• 2.1 引言14
• 2.2 無人機外設系統(tǒng)簡介14-18
• 2.2.1 姿態(tài)參考系統(tǒng)14-16
• 2.2.2 GPS/INS組合定位系統(tǒng)16-17
• 2.2.3 遙控舵機系統(tǒng)17-18
• 2.3 UART接口設計與驗證18-20
• 2.3.1 UART協(xié)議概述18
• 2.3.2 UART接口結構設計18-20
• 2.3.3 UART模塊仿真20
• 2.4 I2C接口設計與驗證20-24
• 2.4.1 I2C協(xié)議概述20-21
• 2.4.2 I2C接口結構設計21-23
• 2.4.3 I2C模塊仿真23-24
• 2.5 SPI接口設計與驗證24-28
• 2.5.1 SPI協(xié)議概述24-25
• 2.5.2 SPI接口結構設計25-27
• 2.5.3 SPI模塊仿真27-28
• 2.6 本章小結28-29
• 第3章 姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)處理模塊設計29-48
• 3.1 引言29
• 3.2 傳感器簡介29-31
• 3.2.1 加速度計陀螺儀29-30
• 3.2.2 磁力計30-31
• 3.2.3 氣壓計31
• 3.3 九軸數(shù)據(jù)讀取的電路設計31-34
• 3.4 傳感器的誤差分析與濾波校準34-37
• 3.4.1 誤差分析34-35
• 3.4.2 濾波與校準35-37
• 3.5 九軸數(shù)據(jù)處理的電路設計37-42
• 3.5.1 整體結構37-38
• 3.5.2 平滑濾波器組38
• 3.5.3 陀螺儀零偏消除38-39
• 3.5.4 磁力計校準39-40
• 3.5.5 數(shù)據(jù)還原40-41
• 3.5.6 同步輸出41-42
• 3.6 氣壓計的數(shù)據(jù)讀取與補償算法的電路設計42-44
• 3.7 設計仿真與板級驗證44-47
• 3.8 本章小結47-48
• 第4章 基于NMEA協(xié)議的GPS解碼模塊設計48-62
• 4.1 引言48
• 4.2 NMEA協(xié)議解碼算法48-53
• 4.2.1 NMEA-0183協(xié)議簡介48-50
• 4.2.2 數(shù)據(jù)分類與解碼算法50-51
• 4.2.3 數(shù)據(jù)執(zhí)行碼51-53
• 4.3 NMEA協(xié)議解碼電路設計53-57
• 4.3.1 整體結構53-54
• 4.3.2 取執(zhí)行碼54-55
• 4.3.3 提取參數(shù)55-56
• 4.3.4 數(shù)據(jù)解析56-57
• 4.3.5 數(shù)據(jù)寫回57
• 4.4 同步校驗電路設計57-58
• 4.5 設計仿真與板級驗證58-61
• 4.5.1 解碼電路仿真58-60
• 4.5.2 同步校驗電路仿真60
• 4.5.3 板級驗證60-61
• 4.6 本章小結61-62
• 第5章 遙控舵機系統(tǒng)的控制模塊設計62-70
• 5.1 引言62
• 5.2 遙控器接收機模塊設計62-64
• 5.3 通道編碼模塊設計64-65
• 5.4 電機控制模塊設計65-67
• 5.5 設計仿真與板級驗證67-69
• 5.6 本章小結69-70
• 結論70-71
• 參考文獻71-76
• 致謝76

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