多旋翼无人机智能控制芯片的关键模块设计与验证

发布时间：2017-09-30 13:24

  本文关键词：多旋翼无人机智能控制芯片的关键模块设计与验证

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【摘要】：近年来,由于多旋翼无人机具有结构简单、体积小、安全性高、垂直起降、空中悬停等优点,被广泛的应用于地图测绘、森林灭火、公路巡查、活动航拍等各个领域。目前,市场上已经有大量的多旋翼无人机,其中大部分的产品都是采用ARM内核的芯片和软件编程来控制飞行。但是,通过软件对数据采集和处理有速度慢和精度低等缺点,这严重影响了飞行器的智能控制;同时软件处理系统的功耗大,降低了无人机的续航时间。为了解决上述缺陷,实验室成立了专用飞行控制芯片设计小组,而本文通过对多旋翼无人机系统的研究与分析,设计了该芯片中姿态传感器数据处理模块、GPS数据解码模块、遥控舵机系统控制模块等关键模块,实现了外设与控制芯片的数据通信、传感器数据的滤波与校准、外设的智能控制。姿态传感器数据处理模块:通过分析系统中陀螺仪、加速度计、磁力计的采集数据,得出三个传感器的输入数据存在随机漂移误差,陀螺仪和磁力计有较大的零位偏移。根据姿态解算要求,采用平滑滤波消除三个传感器的随机漂移,均值法估算陀螺仪的零位偏移,椭圆拟合法校准磁力计,二阶温度补偿法校准气压计的偏差;建立数据的自动刷新、串行处理、同步输出方案。设计各算法的硬件电路和I2C、SPI等基本通信接口电路,通过基于ZYNQ 7Z020的板级验证,得出接口的数据采集和处理速率相比软件提高了51.6%。GPS数据解码模块:设计GPS模块的UART通信接口电路;根据NMEA协议的数据帧格式,将数据信息分为三类,并建立相应的解码方案;采用五级硬件结构实现解码方案,同时设计同步输出校验和电路;通过软件仿真和板级验证得出电路功能正确,且相对于软件解码可做到高频实时输出数据。遥控舵机系统控制模块:利用示波器采集接收机的PWM信号,分析信号中包含的毛刺和噪声,并根据PID对输入通道数据的处理要求设计了遥控器接收模块;根据无人机飞行模式,对通道值进行编码,包含电机调试、锁定、正常飞行三个模式;根据无人机的工作模式和PID输出值与电机通道值的转换关系,设计电调的智能控制模块。基于ZYNQ 7Z020搭建遥控舵机系统调试平台,通过Vivado软件编程和Chipscope软件在线观察板级验证结果。
【关键词】：多旋翼无人机 接口 滤波与校准 NMEA协议 PWM
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279;V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外的发展概况11-12
• 1.2.1 国外的研究进展11-12
• 1.2.2 国内的研究进展12
• 1.3 课题研究的目的和意义12-13
• 1.4 本文的主要研究内容13-14
• 第2章 外设系统简介及通信接口的设计14-29
• 2.1 引言14
• 2.2 无人机外设系统简介14-18
• 2.2.1 姿态参考系统14-16
• 2.2.2 GPS/INS组合定位系统16-17
• 2.2.3 遥控舵机系统17-18
• 2.3 UART接口设计与验证18-20
• 2.3.1 UART协议概述18
• 2.3.2 UART接口结构设计18-20
• 2.3.3 UART模块仿真20
• 2.4 I2C接口设计与验证20-24
• 2.4.1 I2C协议概述20-21
• 2.4.2 I2C接口结构设计21-23
• 2.4.3 I2C模块仿真23-24
• 2.5 SPI接口设计与验证24-28
• 2.5.1 SPI协议概述24-25
• 2.5.2 SPI接口结构设计25-27
• 2.5.3 SPI模块仿真27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第3章 姿态传感器的数据处理模块设计29-48
• 3.1 引言29
• 3.2 传感器简介29-31
• 3.2.1 加速度计陀螺仪29-30
• 3.2.2 磁力计30-31
• 3.2.3 气压计31
• 3.3 九轴数据读取的电路设计31-34
• 3.4 传感器的误差分析与滤波校准34-37
• 3.4.1 误差分析34-35
• 3.4.2 滤波与校准35-37
• 3.5 九轴数据处理的电路设计37-42
• 3.5.1 整体结构37-38
• 3.5.2 平滑滤波器组38
• 3.5.3 陀螺仪零偏消除38-39
• 3.5.4 磁力计校准39-40
• 3.5.5 数据还原40-41
• 3.5.6 同步输出41-42
• 3.6 气压计的数据读取与补偿算法的电路设计42-44
• 3.7 设计仿真与板级验证44-47
• 3.8 本章小结47-48
• 第4章 基于NMEA协议的GPS解码模块设计48-62
• 4.1 引言48
• 4.2 NMEA协议解码算法48-53
• 4.2.1 NMEA-0183协议简介48-50
• 4.2.2 数据分类与解码算法50-51
• 4.2.3 数据执行码51-53
• 4.3 NMEA协议解码电路设计53-57
• 4.3.1 整体结构53-54
• 4.3.2 取执行码54-55
• 4.3.3 提取参数55-56
• 4.3.4 数据解析56-57
• 4.3.5 数据写回57
• 4.4 同步校验电路设计57-58
• 4.5 设计仿真与板级验证58-61
• 4.5.1 解码电路仿真58-60
• 4.5.2 同步校验电路仿真60
• 4.5.3 板级验证60-61
• 4.6 本章小结61-62
• 第5章 遥控舵机系统的控制模块设计62-70
• 5.1 引言62
• 5.2 遥控器接收机模块设计62-64
• 5.3 通道编码模块设计64-65
• 5.4 电机控制模块设计65-67
• 5.5 设计仿真与板级验证67-69
• 5.6 本章小结69-70
• 结论70-71
• 参考文献71-76
• 致谢76

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