基于FPGA硬件加速技术的无人直升机飞行控制系统设计
发布时间：2021-03-17 18:45
随着微电子技术的发展和进步,FPGA芯片的性能和片内资源快速增长。本文以FPGA为控制和计算核心,小型电动无人直升机为控制对象,研究并设计了飞行控制系统。飞行控制系统是无人机技术的主要研究内容,而飞行控制器是飞行控制系统的核心。由于无人机飞行平台、任务需求等原因,要求飞行控制器具有高实时性、高稳定性、高集成度等特点。而FPGA作为集成度极高的可编程器件,可以灵活的在一片芯片中实现功能复杂的数字电路方案,包括Nios II软核处理器。本文以FPGA为中心,确定了无人直升机飞控的总体方案,包括飞行控制计算机设计、传感器系统设计、伺服机构设计和飞行平台搭建等研究内容,并着重进行了飞行控制计算机硬件电路以及外围电路的设计和FPGA双核可编程片上系统设计工作。在FPGA片上系统中集成了两颗独立工作的Nios II处理器,极大的增强计算能力。片上系统中还包含有功能性IP核,以实现传感器数据收发和初步处理,极大的减轻处理器计算负担。随着无人直升机飞行任务的复杂化、多样化,对无人机的飞行品质也提出了更高要求,本文已进行了以不完全微分PID控制算法为基础的控制律设计,并完成了飞行控制计算机对μC/OS-...
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FPGA内部结构简图
小系统的组成，对 FPGA 最小系统的硬件电路进行设计计和 PCB 线路板设计。硬件电路原理图使用 Cadence 进 进行设计绘制。围电路于存储 FPGA 配置数据并在 FPGA 上电启动或是烧写主动串行配置器件。考虑到片上可编程系统较大，选择存储器。功耗低、配置过程中电流小，工作电压范围大，2.7V~3、DCLK、ASD、DATA 引脚即可实现数据储存和对 FPGA的同步时钟，NCS引脚接收来自FPGA的片选信号，ASD 引脚将串行数据发送至 FPGA 实现对 FPGA 的配置。 AS(Active Serial)模式烧写器可直接向 EPCS 中写入数可运行，减少对 FPGA 主芯片的烧写次数，延长 FPG
外围电路统启动时 EPCS 只能实现一个 NiosII 处理器系统的配置，选用的 FLASH 存储器配置双核系统中的另一个处理器。在系统上对 FPGA 的配置并将 NiosII 软件程序加载进内存，完成系统的it，数据宽度 16 位，供电电压 3V，待机电流1μA的 AM29LV6
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机航拍在数字影像中的应用[J]. 姜希尧. 西部广播电视. 2017(21)
[2]Flight Control System of Unmanned Aerial Vehicle[J]. 浦黄忠,甄子洋,夏曼. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2015(01)
[3]美军无人机通信系统发展现状及趋势[J]. 关中锋. 通信技术. 2014(10)
[4]无人直升机自主飞行控制技术[J]. 赖水清,陈传琪,张思,单俊杰. 直升机技术. 2013(02)
[5]基于PIC单片机和AD7705的高精度信号采集系统设计[J]. 刘伟,张存善. 电子设计工程. 2011(02)
[6]基于FPGA的NiosⅡ多处理器SOPC系统设计研究[J]. 杨航,潘传红. 科技风. 2010(18)
[7]一种I2C总线控制器的接口设计[J]. 宋杰,陈岚,冯燕. 信息与电子工程. 2010(04)
[8]Analysis of unmanned aerial vehicle navigation and height control system based on GPS[J]. Jianjun Zhang1,* and Hong Yuan2 1.China Academy of Space Technology,Beijing 100094,P.R.China;2.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2010(04)
[9]无人机系统自主控制技术研究现状与发展趋势[J]. 朱华勇,牛轶峰,沈林成,张国忠. 国防科技大学学报. 2010(03)
[10]用FPGA实现I2C总线接口[J]. 俞金强. 硅谷. 2009(21)
硕士论文
[1]基于FPGA的双核导航计算机系统设计[D]. 王波.哈尔滨工程大学 2012
[2]基于DSP+FPGA的微小型无人机飞控计算机研究[D]. 喻少林.浙江大学 2011
[3]基于DSP和FPGA导航计算机硬件电路研究与设计[D]. 杨侃.哈尔滨工程大学 2009
[4]基于ARM的某型无人机飞控计算机开发平台的研究[D]. 周文霞.南京航空航天大学 2009
[5]基于Nios Ⅱ的SOPC系统设计与研究[D]. 潘宗树.武汉科技大学 2007
[6]基于微机的某型无人机飞控系统的硬件设计及软件实现[D]. 孙兴宏.西北工业大学 2007
[7]捷联惯导系统导航算法研究[D]. 王晓迪.哈尔滨工程大学 2007
[8]某小型无人机飞控计算机的设计[D]. 王斌.南京航空航天大学 2007
[9]基于Nios处理器的SoPC试验系统研究与设计[D]. 张宏波.解放军信息工程大学 2004
本文编号：3087543
【文章来源】：南京航空航天大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FPGA内部结构简图
小系统的组成，对 FPGA 最小系统的硬件电路进行设计计和 PCB 线路板设计。硬件电路原理图使用 Cadence 进 进行设计绘制。围电路于存储 FPGA 配置数据并在 FPGA 上电启动或是烧写主动串行配置器件。考虑到片上可编程系统较大，选择存储器。功耗低、配置过程中电流小，工作电压范围大，2.7V~3、DCLK、ASD、DATA 引脚即可实现数据储存和对 FPGA的同步时钟，NCS引脚接收来自FPGA的片选信号，ASD 引脚将串行数据发送至 FPGA 实现对 FPGA 的配置。 AS(Active Serial)模式烧写器可直接向 EPCS 中写入数可运行，减少对 FPGA 主芯片的烧写次数，延长 FPG
外围电路统启动时 EPCS 只能实现一个 NiosII 处理器系统的配置，选用的 FLASH 存储器配置双核系统中的另一个处理器。在系统上对 FPGA 的配置并将 NiosII 软件程序加载进内存，完成系统的it，数据宽度 16 位，供电电压 3V，待机电流1μA的 AM29LV6
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人机航拍在数字影像中的应用[J]. 姜希尧. 西部广播电视. 2017(21)
[2]Flight Control System of Unmanned Aerial Vehicle[J]. 浦黄忠,甄子洋,夏曼. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics. 2015(01)
[3]美军无人机通信系统发展现状及趋势[J]. 关中锋. 通信技术. 2014(10)
[4]无人直升机自主飞行控制技术[J]. 赖水清,陈传琪,张思,单俊杰. 直升机技术. 2013(02)
[5]基于PIC单片机和AD7705的高精度信号采集系统设计[J]. 刘伟,张存善. 电子设计工程. 2011(02)
[6]基于FPGA的NiosⅡ多处理器SOPC系统设计研究[J]. 杨航,潘传红. 科技风. 2010(18)
[7]一种I2C总线控制器的接口设计[J]. 宋杰,陈岚,冯燕. 信息与电子工程. 2010(04)
[8]Analysis of unmanned aerial vehicle navigation and height control system based on GPS[J]. Jianjun Zhang1,* and Hong Yuan2 1.China Academy of Space Technology,Beijing 100094,P.R.China;2.Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,P.R.China. Journal of Systems Engineering and Electronics. 2010(04)
[9]无人机系统自主控制技术研究现状与发展趋势[J]. 朱华勇,牛轶峰,沈林成,张国忠. 国防科技大学学报. 2010(03)
[10]用FPGA实现I2C总线接口[J]. 俞金强. 硅谷. 2009(21)
硕士论文
[1]基于FPGA的双核导航计算机系统设计[D]. 王波.哈尔滨工程大学 2012
[2]基于DSP+FPGA的微小型无人机飞控计算机研究[D]. 喻少林.浙江大学 2011
[3]基于DSP和FPGA导航计算机硬件电路研究与设计[D]. 杨侃.哈尔滨工程大学 2009
[4]基于ARM的某型无人机飞控计算机开发平台的研究[D]. 周文霞.南京航空航天大学 2009
[5]基于Nios Ⅱ的SOPC系统设计与研究[D]. 潘宗树.武汉科技大学 2007
[6]基于微机的某型无人机飞控系统的硬件设计及软件实现[D]. 孙兴宏.西北工业大学 2007
[7]捷联惯导系统导航算法研究[D]. 王晓迪.哈尔滨工程大学 2007
[8]某小型无人机飞控计算机的设计[D]. 王斌.南京航空航天大学 2007
[9]基于Nios处理器的SoPC试验系统研究与设计[D]. 张宏波.解放军信息工程大学 2004
本文编号：3087543
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