基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计

发布时间：2017-04-24 23:14

  本文关键词：基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文从工程应用出发，将航模固定翼飞机作为研究平台，在总结国内外微小型无人机飞行控制系统设计的基础上，提出了低成本飞行控制系统设计方案。 首先，提出飞行控制系统总体方案，对硬件系统进行了详细设计。无人机硬件系统总体分为两个部分：机载飞控系统和地面测控系统，其中机载飞控系统以STM32微控制器为核心，集成了数据采集系统、GPS模块、遥控解码模块、舵机驱动模块、数传电台和电源模块；地面测控系统包括测控计算机、数传电台、地面站软件、发射机等。 其次，对无人机捷联导航算法进行了研究。捷联导航算法用于无人机姿态、速度、位置等信息的滤波解算，是解决无人机飞行状态准确测量的关键技术之一。本文设计了基于误差四元数的姿态卡尔曼滤波算法；同时考虑在大机动情况下，刚体加速度的影响，采用组合滤波的方法，提高姿态解算的精度，并进行了仿真验证；通过引入GPS的速度和位置量测信息，分别设计了速度、位置卡尔曼滤波器。 然后，建立了无人机的飞行动力学模型。基于该模型采用PID控制方法对无人机纵向、横侧向控制回路控制律进行设计；同时对无人机的自主飞行进行研究，，给出了直线自主飞行和圆周自主飞行制导参数的计算方法，并设计了相应的控制律；之后进行了仿真，验证了所设计的控制律。 最后，展开无人机的试验研究，验证了飞行控制系统硬件与捷联导航算法的可靠性和可行性。
【关键词】：无人机 捷联导航 四元数 卡尔曼滤波器 飞行控制
【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】：2012
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-14
• 第一章 绪论14-20
• 1.1 课题研究背景及意义14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.2.1 无人机研究14-16
• 1.2.2 飞行控制系统16-18
• 1.3 本文研究内容及方法18-20
• 第二章 飞行控制系统方案设计20-33
• 2.1 引言20
• 2.2 飞行控制系统设计要求20-21
• 2.3 飞行控制系统试验平台21
• 2.4 飞行控制系统总体方案设计21-24
• 2.4.1 机载飞控系统22-23
• 2.4.2 地面测控系统23-24
• 2.5 飞行控制系统硬件方案24-30
• 2.5.1 嵌入式飞控计算机24-25
• 2.5.2 传感器数据采集25-28
• 2.5.3 GPS 模块28-29
• 2.5.4 遥控解码模块29
• 2.5.5 舵机驱动子系统29-30
• 2.5.6 数传电台30
• 2.5.7 电源模块30
• 2.6 飞行控制系统软件设计30-33
• 2.6.1 飞行控制系统软件设计需求30-31
• 2.6.2 飞行控制系统软件流程31-33
• 第三章 基于单片机的捷联导航算法研究33-46
• 3.1 引言33
• 3.2 坐标系定义及变换33-34
• 3.3 捷联姿态矩阵更新算法34-38
• 3.3.1 四元数法35-36
• 3.3.2 四元数微分方程的龙格-库塔法求解36
• 3.3.3 四元数微分方程的等效旋转矢量法求解36-38
• 3.4 导航滤波算法38-46
• 3.4.1 姿态估计算法38-43
• 3.4.2 速度估计算法43-44
• 3.4.3 位置估计算法44-46
• 第四章 无人机控制律设计46-62
• 4.1 引言46
• 4.2 无人机数学模型46-47
• 4.3 PID 控制方法47-48
• 4.4 纵向控制律设计48-51
• 4.4.1 俯仰角保持/控制回路48-49
• 4.4.2 高度保持/控制回路49-51
• 4.5 横侧向控制律设计51-53
• 4.5.1 横滚角保持/控制回路51-52
• 4.5.2 偏航角保持/控制回路52-53
• 4.6 协调转弯控制53-56
• 4.7 自主飞行控制律设计56-62
• 4.7.1 直线自主飞行控制律设计56-58
• 4.7.2 圆周自主飞行控制律设计58-60
• 4.7.3 数值仿真60-62
• 第五章 试验验证62-65
• 5.1 引言62
• 5.2 试验系统组成62
• 5.3 试验内容及结果62-65
• 第六章 总结与展望65-67
• 6.1 本文主要贡献和特点65
• 6.2 进一步的工作和展望65-67
• 参考文献67-70
• 致谢70-71
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文71

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 赵斐;微小无人机的姿态测量与控制系统研究[D];中北大学;2013年

2 刘辉邦;面向偏振光传感器的无人机导航平台开发[D];大连理工大学;2013年

  本文关键词：基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：325169