基于Cortex-M4的四旋翼飞行器控制系统设计与实现

发布时间：2019-08-20 16:15

【摘要】：四旋翼飞行器因为结构简单、机动性强并可垂直起降等优点得到了越来越多的应用。飞行控制系统作为整个飞行平台的核心,其性能的好坏对整个飞行效果有直接影响。本文主要设计出一套适用于四旋翼飞行器的飞行控制系统,主要内容如下：(1)为了满足飞行器自主飞行的性能要求,设计了整个飞行控制系统的硬件电路,在硬件电路设计过程中,采用模块化的设计思想,将整个飞行控制系统分为主控模块、航姿参考模块、GPS模块、状态显示模块及电源模块,并给出详细的设计过程。(2)在整个系统的软件设计中,考虑到主控模块需要进行多任务的处理,在主控模块的主芯片中嵌入uC/OS Ⅱ实时操作系统。在本文中,给出了uC/OS Ⅱ在Cortex-M4内核上移植的详细步骤,并对需要管理的任务进行规划。其他部分的程序采用普通的前后台系统进行编写,在文中也给出了详细的执行流程。(3)飞行器姿态角数据的精度会直接影响姿态控制的效果,而姿态控制作为整个控制器结构中的基础,又会对飞行器的整体飞行性能造成影响。为了提升姿态角推算的准确性,本文设计了基于扩展卡尔曼的姿态角更新算法。将陀螺传感器的偏移误差引入到状态方程,同时将加速度计和地磁传感器的偏差作为噪声项引入到观测方程中。最后将算法嵌入到航姿参考模块中,将算法输出的数据与商用传感器进行对比,结果证明姿态角算法精度达到了预期效果。(4)为了对系统的软硬件性能进行测试,设计姿态PID控制器,并将控制器嵌入到系统中,通过实际飞行来检测系统是否工作正常。飞行实验数据及结果表明,本文设计的飞行控制系统各个硬件模块工作正常；软件设计架构合理可行；航姿参考模块输出的姿态数据能够满足飞行器对姿态的精度要求；整个飞行控制系统达到了设计要求。
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V249.1

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