轻小型无人飞行器飞行控制系统研究与设计

发布时间：2017-04-09 05:13

  本文关键词：轻小型无人飞行器飞行控制系统研究与设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在军事和民用领域,无人飞行器(UAV)的应用越来越广泛。飞行控制系统是保证其正常飞行并且完成任务的关键技术,飞行控制系统的设计和验证是飞行器设计的最重要的环节。本文总结国内外商业和开源飞行控制系统研究现状,以轻小型无人飞行器控制功能需求出发,以仿真为基础开展了控制系统需求分析,并以此为依据开展了飞行控制系统方案设计、硬件设计、硬件制作、软件开发、系统集成和地面半物理仿真验证。 首先,本文针对某型固定翼无人机,研究其气动特性和发动机推力特性,分析无人机的三轴气动力和气动力矩,建立完整的非线性6自由度模型,设计其内环增稳和外环导航控制律,应用MATLAB/SIMULINK进行数字闭环仿真验证。以此为基础,对无人飞行器飞行控制系统的基本性能、传感器配置、舵面伺服系统性能、处理器和接口、系统实时性提出指标要求。 其次,设计了以ARM Cortex-M4内核的STM32F407处理器为核心的自主飞行控制系统,集成数据采集通信接口、舵机驱动接口、数传电台模块、TF卡接口和网络接口,完成了系统硬件的制作、焊接、组装与调试,集成系统的软件和硬件,并按照控制律设计框图编写嵌入式控制律软件,完成飞行控制系统的研发与制作。 本文创新性地提出了“对称式飞行测试”的思想,组建实时的半物理仿真环境。将飞机气动力特性和非线性6自由度方程编写成C代码,编译并下载到计算机中运行,根据视景软件的网络接口协议驱动飞行仿真界面,同时与飞行控制系统组成半物理闭环仿真系统,将得到的结果与数字闭环仿真的结果比较,验证了“对称式”飞行测试系统的仿真精度,完成飞行控制系统功能要求,满足飞行控制系统前期研究验证的需求。 本文以某型无人机平台为工程案例进行开发,验证了系统的性能指标满足飞行控制系统的研发需求,其技术可以推广应用到类似无人飞行器的飞行控制系统中。同时该系统成本低廉,适用于一般的应用场合。
【关键词】：无人飞行器 飞行控制系统 ARM Cortex-M4 半物理仿真
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 概述10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 轻小型无人飞行器飞行控制系统研究现状11-15
• 1.3 轻小型无人飞行器飞行控制系统设计技术15-16
• 1.4 飞行控制系统总体设计方案16-22
• 1.4.1 飞行控制系统设计需求分析16
• 1.4.2 嵌入式飞行控制计算机16-20
• 1.4.3 半物理(Hardware-In-the-Loop,HIL)仿真系统分析20-21
• 1.4.4 总体方案设计21-22
• 1.5 研究内容和章节安排22-24
• 第2章 无人飞行器控制需求与仿真分析24-43
• 2.1 无人飞行器介绍24-25
• 2.2 无人飞行器气动力和力矩分析25-27
• 2.3 无人飞行器发动机模型假设27-28
• 2.4 无人飞行器非线性6自由度方程28-31
• 2.5 无人飞行器的配平31-33
• 2.6 无人飞行器控制律设计及数字仿真验证33-41
• 2.6.1 内环控制律设计33-35
• 2.6.2 外环控制律设计35-37
• 2.6.3 闭环仿真测试37
• 2.6.4 数字闭环系统延迟及噪声分析37-41
• 2.7 无人飞行器控制需求分析41-43
• 第3章 飞行控制系统硬件设计及软件设计43-66
• 3.1 飞行控制系统硬件设计43-54
• 3.1.1 飞行控制计算机最小系统设计43-45
• 3.1.2 串行接口电路设计45-46
• 3.1.3 PWM输入输出接口设计46-47
• 3.1.4 控制器局域网CAN总线接口设计47
• 3.1.5 TF卡接口电路设计47-48
• 3.1.6 网口电路设计48
• 3.1.7 传感器接口电路设计48-52
• 3.1.8 电源电路设计52-54
• 3.2 电磁兼容性设计54
• 3.3 PCB设计与布线54-56
• 3.4 驱动软件的设计56-62
• 3.4.1 系统启动流程及初始化56
• 3.4.2 PWM输出与采集驱动设计56-57
• 3.4.3 I/O端口模拟I2C驱动设计57-58
• 3.4.4 TF卡驱动设计及FatFS文件系统的移植58-60
• 3.4.5 网络驱动设计及UDP网络协议的实现60-62
• 3.5 应用软件的设计62-66
• 3.5.1 飞行控制逻辑设计62-64
• 3.5.2 飞行控制律软件设计64-66
• 第4章 半物理仿真系统的搭建66-73
• 4.1 视景软件介绍66-67
• 4.2 视景软件网络协议介绍67
• 4.3 仿真软件的编写67-70
• 4.4 开环数据分析与结果70-73
• 第5章 “对称式”测试系统闭环仿真验证73-80
• 5.1 系统闭环调试73-74
• 5.2 系统延时及噪声分析74
• 5.3 半物理仿真与软闭环仿真比较74-80
• 结论80-83
• 参考文献83-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士期间发表（含录用）的学术论文87-88

【参考文献】

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本文编号：294521