基于FPGA的嵌入式飞行控制器设计

发布时间：2017-11-01 09:19

  本文关键词：基于FPGA的嵌入式飞行控制器设计

  更多相关文章： 无人直升机 飞行控制器 FPGA PID 飞行试验

【摘要】：飞行控制器作为无人飞行器的“大脑”,对无人飞行器的飞行品质起绝对性作用,一直是航空控制领域研究的热点。随着计算机技术和电力电子技术的不断发展,嵌入式处理器性能不断提升,各种嵌入式处理器逐渐应用于飞行控制器的设计。本文采用理论分析和实践应用相结合的方法,实现了基于FPGA的嵌入式飞行控制器设计。首先,对搭载FPGA嵌入式飞行控制器的无人直升机飞行平台进行了机载飞行控制系统总体分析和设计,包括组合导航设备的选型、飞行器执行机构和动力装置的选用、机载电源系统的构建以及地面控制系统的配置等。其次,对嵌入式飞行控制器硬件系统进行了功能需求分析,在此基础上完成了外围接口电路设计、核心模块电路设计、电压监测系统设计、FPGA相关功能IP核设计和FPGA飞行控制器整体架构的搭建。根据嵌入式飞行控制器软件功能需求,以PID控制算法为基础,构建了姿态角回路、轨迹回路、高度回路的控制律模型,以内、外回路控制结构形式设计的飞行控制律实现飞行器多模态飞行控制,改善和提高飞行器的稳定性、操纵性及飞行品质,增强飞行安全性。然后在μC/OS-Ⅱ操作系统基础上设计了控制器软件系统,FPGA飞行控制器的软件分为系统软件和应用软件。系统软件是开发和运行应用软件的平台;应用软件是实现FPGA飞行控制器数据通信模块和飞行控制律模块的主体。最后,通过姿态角控制回路和高度控制回路的试飞,对本文所设计的基于FPGA的嵌入式飞行控制器进行了综合验证,并对飞行数据进行了记录和分析,证明了本文所设计的基于FPGA的嵌入式飞行控制器的可行性。
【关键词】：无人直升机 飞行控制器 FPGA PID 飞行试验
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 第一章 绪论13-18
• 1.1 研究背景13
• 1.2 研究目的13-15
• 1.3 嵌入式飞行控制器研究现状15-16
• 1.4 本文核心和主要工作16
• 1.5 本文章节安排16-18
• 第二章 机载飞行控制系统总体架构18-26
• 2.1 引言18
• 2.2 飞行器平台18-19
• 2.3 组合导航设备及传感器19-21
• 2.3.1 惯性参考模块19-20
• 2.3.2 差分GPS20-21
• 2.3.3 高度测量模块21
• 2.4 飞行器执行机构和动力装置21-22
• 2.4.1 舵机21
• 2.4.2 电机及电子调速器21-22
• 2.5 无线通讯模块22-23
• 2.6 机载电源系统23
• 2.7 地面控制系统23-25
• 2.7.1 地面控制站23-24
• 2.7.2 人工操纵设备24-25
• 2.8 本章小结25-26
• 第三章 飞行控制器硬件系统26-50
• 3.1 引言26
• 3.2 硬件系统功能需求26-27
• 3.3 外围接口电路27-30
• 3.3.1 电源转换模块电路27-28
• 3.3.2 数字量输入输出模块电路28-29
• 3.3.3 通信模块电路29-30
• 3.4 核心模块电路30-35
• 3.4.1 SRAM存储电路31
• 3.4.2 SDRAM存储电路31-32
• 3.4.3 FLASH存储电路32-33
• 3.4.4 EPCS存储电路33
• 3.4.5 铁定存储器电路33-34
• 3.4.6 时钟电路34-35
• 3.5 电压监测系统35-38
• 3.5.1 电压监测系统硬件35-37
• 3.5.2 电压监测系统软件37-38
• 3.6 FPGA相关功能IP核38-44
• 3.6.1 PWM波捕获IP核39-40
• 3.6.2 PWM波输出IP核40-42
• 3.6.3 串口接收IP核42-43
• 3.6.4 串口发送IP核43-44
• 3.7 FPGA飞行控制器44-49
• 3.8 本章小结49-50
• 第四章 飞行控制律模型50-63
• 4.1 引言50
• 4.2 坐标系50-52
• 4.2.1 常用坐标系50-51
• 4.2.2 坐标变换51-52
• 4.3 无人直升机操纵分配52-54
• 4.4 姿态角回路控制律模型54-58
• 4.4.1 俯仰角回路控制律模型54-55
• 4.4.2 滚转角回路控制律模型55-57
• 4.4.3 偏航角回路控制律模型57-58
• 4.5 轨迹回路控制律模型58-61
• 4.5.1 纵向轨迹回路控制律模型59-60
• 4.5.2 横向轨迹回路控制律模型60-61
• 4.6 高度回路控制律模型61-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第五章 控制器软件系统63-70
• 5.1 引言63
• 5.2 系统软件63-64
• 5.2.1 软件开发环境63
• 5.2.2 操作系统63-64
• 5.3 辅控制器软件64-67
• 5.3.1 辅控制器IP核驱动64-66
• 5.3.2 辅控制器应用任务66-67
• 5.4 主控制器软件67-69
• 5.4.1 主控制器IP核驱动67-68
• 5.4.2 主控制器应用任务68-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 试飞验证70-74
• 6.1 静态测试70
• 6.2 系留试飞70-71
• 6.3 飞行试验及结果71-73
• 6.4 本章小结73-74
• 第七章 工作总结与展望74-76
• 7.1 研究工作总结74-75
• 7.2 工作不足与展望75-76
• 参考文献76-78
• 致谢78-79
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 康国华;夏青;成婧;;基于SoPC的微小卫星姿轨控计算机设计与实现[J];南京航空航天大学学报;2013年06期

2 赖水清;陈传琪;张思;单俊杰;;无人直升机自主飞行控制技术[J];直升机技术;2013年02期

3 俞吉波;孔雪;郑哲;祝永新;付宇卓;;FPGA实际可用性评估与发展趋势分析[J];计算机工程;2011年13期

4 赵宇博;张小林;范力思;;基于SOPC的飞行器控制系统的硬件设计[J];计算机测量与控制;2010年09期

5 胡云峰;陈虹;刘明星;许芳;;基于FPGA/SOPC的预测控制器设计与实现[J];仪器仪表学报;2010年06期

6 朱华勇;牛轶峰;沈林成;张国忠;;无人机系统自主控制技术研究现状与发展趋势[J];国防科技大学学报;2010年03期

7 陈远炫;裴海龙;陈勇;;小型无人机飞行控制系统的硬件设计与实现[J];计算机工程与设计;2010年10期

8 石新峰;牟光臣;;基于NiosⅡ的自定制PWM模块设计与实现[J];河南科技学院学报;2009年03期

9 田翔;周凡;陈耀武;刘莉;陈耀;;基于以太网的多FPGA矩阵乘法并行计算系统设计(英文)[J];仪器仪表学报;2007年08期

10 于晓洲;周凤岐;黄河;;基于SOPC技术的无人机飞控系统硬件平台设计[J];火力与指挥控制;2006年12期

，

本文编号：1126190