基于DSP的无人机飞行控制系统硬件设计

发布时间：2017-09-12 19:14

  本文关键词：基于DSP的无人机飞行控制系统硬件设计

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【摘要】：小型无人机飞行控制系统作为无人机不可或缺的功能结构,对此,设计了一套以TMS320F28335为核心处理器的多个功能模块的构成的小型无人机飞行控制硬件系统,同时完成了相关的程序设计,最后利用姿态检测、控制算法,并加载扩展卡尔曼数字滤波(EKF)及数据融合算法,为实现飞行控制系统小型化而又高性能提供有利的硬件保障。首先,通过中心控制单元实现了存储扩展电路、系统时钟及系统复位,提高了电路稳定性,增加了存储器容量,数据程序存储能力。此外,采用电源转换模块,实现了不同电压大小电源设计,匹配了电路供电需要;鉴于电路集成多个输入传感器的优势,开发了基于多通道开关量信号I/O电路;为了提高可扩展性,又设计了多通道信号片上和外扩A/D采集输入及其相应D/A转换输出;驱动控制实现了模拟量、PWM驱动两部分控制;采用多通道串口电路实现了片上串行通信、基于TL16C754A芯片的数据通信扩展;CPLD通过VHDL实现了逻辑控制和中断控制。通过数字模拟串行接口,增强了系统集成度。其次,采用四元数捷联姿态解算,结合扩展卡尔曼数字滤波(EKF)及数据融合算法,完成姿态检测控制,实现了高精度姿态信号的输出。通过测试软件及驱动程序的开发设计,实现了对硬件系统接口通信和系统模块控制程序测试。针对系统的硬件调试设计了程序测试,PWM控制信号输出测试、电源性能的测试,对飞控系统进行PC机和地面控制站的调试和物理仿真。最后,测试结果表明了设计方案的正确性与合理性,达到了飞控系统的结构与安全性能标准。对系统采用电磁抗干扰(EMC)措施,使系统硬件具有抗干扰能力,具备可靠性高、实时性好和体积小等优点,提升了小型无人机飞控系统的集成度和飞行控制稳定能力。
【关键词】：小型无人机 F28335 飞行控制系统 PWM CPLD
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-12
• 1.1 无人机概况8-9
• 1.2 飞行控制系统研究现状9-10
• 1.3 本课题的研究意义及研究主要内容10-11
• 1.4 论文内容安排11-12
• 第2章 无人机飞行控制系统的硬件平台设计12-45
• 2.1 飞控系统的总体设计方案12-13
• 2.1.1 系统设计原则12-13
• 2.1.2 无人机飞控系统的整体结构设计13
• 2.2 中心控制模块13-25
• 2.2.1 CPU芯片的选择14-17
• 2.2.2 外围存储器的扩展17-19
• 2.2.3 辅助电路设计19-25
• 2.3 模拟量采集与驱动控制模块25-32
• 2.3.1 信号采集电路的设计25-27
• 2.3.2 驱动控制电路的设计27-30
• 2.3.3 信号调理电路的设计30-32
• 2.4 多串行口通信模块32-35
• 2.4.1 通信模块的设计要求32-33
• 2.4.2 多通道串口通信模块的设计33-35
• 2.5 中断和逻辑控制模块35-40
• 2.5.1 基于CPLD的逻辑控制器设计36-38
• 2.5.2 基于CPLD的中断控制器设计38-40
• 2.6 开关量信号I/O模块40-42
• 2.6.1 开关量输入通道的设计41-42
• 2.6.2 开关量输出通道的设计42
• 2.7 电源模块42-44
• 2.7.1 电源模块的选取43
• 2.7.2 电源模块的电路设计43-44
• 2.8 本章小结44-45
• 第3章 系统姿态检测算法和姿态控制算法研究45-53
• 3.1 飞控姿态检测算法45-48
• 3.1.1 四维扩展卡尔曼滤波算法45-46
• 3.1.2 预测状态方程更新46-47
• 3.1.3 观测方程更新47-48
• 3.2 飞控姿态位置控制算法48-50
• 3.2.1 PID控制算法48
• 3.2.2 PID控制仿真测试48-50
• 3.3 程序设计实现50-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 测试软件及驱动程序的开发设计53-61
• 4.1 F28335的程序开发概述53-56
• 4.1.1 处理器F28335程序开发框架53-55
• 4.1.2 软件开发的基本流程55-56
• 4.2 外扩串口通信程序设计设计56-57
• 4.3 PWM舵机控制信号设计57-59
• 4.4 采集信号测试59-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第5章 飞行控制系统硬件模块测试与分析61-76
• 5.1 电源性能测试61-63
• 5.2 PWM控制信号输出测试63-64
• 5.3 多通道串口通讯模块的调试64-68
• 5.3.1 测试方案64-66
• 5.3.2 测试结果66-68
• 5.4 开关量I/O模块的调试68-70
• 5.5 信号采集与PWM驱动控制模块的测试70-71
• 5.6 系统中电磁抗干扰(EMC)处理71-73
• 5.6.1 器件选型71-72
• 5.6.2 线路布局72-73
• 5.6.3 电磁干扰73
• 5.7 物理仿真测试73-75
• 5.8 本章小结75-76
• 第6章 总结与展望76-78
• 6.1 主要研究工作76
• 6.2 后续工作展望76-78
• 参考文献78-81
• 发表论文和参加科研说明81-82
• 致谢82-83
• 附录83-85

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本文编号：839021