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1、毕业设计论文题 目：基于ARM CORTEX 处理器的四旋翼机姿态控制系统设计学 生： 林 德 兴 指导 兴 武 老 师 院 系： 信息科学与工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气1001 学 号： 3100203117 20XX6月1绪论11.1研究的背景和意义11.2研究现状与发展21.3研究容32姿态控制系统的总体方案设计32.1姿态控制系统的架构与方案比较32.1.1MCU的功能分析32.1.2姿态信息采集传感器的选型42.1.3姿态控制方案的选择42.2姿态控制系统的总体设计73硬件系统的设计83.1硬件的构建83.2基于STM32的飞控主板的电路设计93.2.1电源
2、模块的设计93.2.2FLASH模块的设计103.2.3接收机输入PWM的设计103.2.4控制电机PWM输出信号的设计103.2.5JTAG编程接口的设计113.2.6USB接口的设计113.2.7MPU6000电路的设计123.2.8电池电量检测电路的设计123.2.9指示灯的设计133.3主控电路PCB板的设计134基于STM32的uC/OS-II系统设计134.1系统软件编译环境的介绍与配置134.2uC/OS-II系统的移植154.3STM32整体配置154.3.1输入/输出管脚的配置164.3.2串口的配置164.3.3定时器输出PWM的配置174.3.4SPI接口驱动程序设计18
3、4.4uC/OS-II系统的任务划分195四旋翼机的姿态控制程序设计195.1姿态采集和解算的程序设计195.1.1姿态信息的采集程序设计195.1.2姿态信息的解算程序设计235.2姿态控制的程序设计235.2.1姿态控制的流程235.3姿态的PID控制程序设计245.3.1姿态比例控制程序设计255.3.2姿态积分控制程序设计255.3.3姿态微分控制程序设计255.3.4姿态的控制机制266系统调试266.1系统的硬件调试266.2软件调试286.3总体测试结果307设计总结35致36参考文献37附录1 bsp.c和bsp.h添加的程序清单38附录2 SPI的写指令程序清单38附录3 S
4、PI的读指令程序清单39附录4 姿态控制的PID程序清单39附录5 飞控板的原理图41附录6 飞控板的PCB42附录7 飞控板的实物图42附录8 组装好的四翼飞行器实物图43基于ARM CORTEX 处理器的四旋翼机的姿态控制系统设计摘 要本文采用一种基于ARM CORTEX处理器的uC/OS-II实时操作的四旋翼机姿态控制系统,分析了飞控系统的要求和性能指标,设计了四旋翼机姿态控制系统的硬件结构的整体框架,包括电源模块、flash模块、输入和输出PWM、JTAG和USB模块、姿态采集模块、电池电量的检测设计等；软件的总体设计,包括系统的移植,姿态信息的采集,四元数的转换,软件的流程等；对uC
5、/OS-II进行任务划分与优先级的规划,将系统分成了以下任务：姿态解算和控制任务、数据采集任务、遥控任务、LED指示任务、电压检测和警报任务等。对ARM CORTEX处理器的四旋翼机的姿态控制系统做出了详细的论证。最后对硬件和软件的在上位机上进行仿真与调试的结果进行分析,并进行了飞行器的实际飞行控制,印证了本设计的姿态控制系统的可行性。关键词: 四旋翼机、uC/OS-II、姿态控制、ARMABSTRACTThis paper presents uC/OS-II real-time operating system based on ARM CORTEX processor for four r
6、otorcraft attitude control system, analyzed the requirements and performance indicators of the flight control system, designed four rotorcraft attitude control system hardware configuration overall framework, including power modules, flash modules, input and output PWM, JTAG and USB modules, attitud
7、e acquisition module, the design of battery level detection; software overall design, including the system migration, the collection of the attitude information, quaternion conversion, software processes and so on; on uC/OS-II division of tasks and priorities of planning, the system is divided into
8、the following tasks: solving attitude and control tasks, data acquisition task, remote task, LED control tasks, voltage detection and alarm tasks. and making a detailed argument for ARM CORTEX processor for attitude control system four rotorcraft. Finally, through the results of simulation and debug
9、ging of hardware and software for analysis, and doing the actual aircraft flight control,confirms the feasibility of the design of the attitude control system.Keywords:Four rotorcraft, uC / OS-II, attitude control, ARM / 1 绪论1.1 研究的背景和意义从20世纪30年代以来,随着航空技术的不断发展,小型无人机凭借其质量轻,体积小,操作方便灵活,噪声小,隐蔽性能好等优越性能在军
10、用和民用领域中占据着举足轻重的地位,在民用领域中,无人机可以实现森林防火,监控监测、地震救灾、实地考察、摄像测绘；在军用领域中无人机主要运用于军事侦察、目标追踪、武器实验等。无人机的运用和影响围正在不断扩大,使得无人机的发展受到各个国家的广泛关注。目前,不少世界先进国家已经大力支持和投入无人机的研究和开发之中1。四旋翼飞行器是通过四个螺旋桨的高速旋转,产生向上的推力,推动机身直升飞行的典型的无人机。四旋翼飞行器可以通过改变每个转子的相对速度进而改变推力,从而对整个机身的位置和方向进行控制。从四旋翼无人机的结构来看,它具有外形新颖、结构简单、灵活飞行、体积微小轻便等特点,和传统的固定翼相比,它以
11、其独特的飞行控制方式,可以灵活的垂直起降,具有较强的机动性能、噪声小、盘旋能力好、安全性能强、可潜伏性好等优点。所以说无论在目前的军事还是民用领域中四旋翼机都有广阔的应用前景2。四旋翼飞行器控制系统的核心部分是飞控处理器的核和飞控系统的软件,目前,四旋翼飞控系统正不断向小型化和高精度的方向发展。ARM CORTEX-M3是一种基于ARM7架构的新型的ARM核。STM32系列微控制器是ST公司最新开发的以性能强大的ARM Cortex-M3为核的高性能和低能耗的32位RISC处理器。它已经大幅提升了中断响应速度,并具有集成度高和开发性强等特点。可见ARM CORTEX-M3核是一种体积小、可嵌入
12、的计算机核,它控制精度高、处理速度快、能够适应复杂的外界环境,符合四旋翼飞控系统的发展趋势3。C/OS-是一种基于抢占式优先级的硬件核。它属于一个完整的、可裁剪、可固化、可移植的抢占式多任务核,它包含任务调度,任务管理、存管理、时间管理和任务间的同步与通信等基本功能。本设计提出基于C/OS-系统的ARM CORTEX处理器的四轴旋翼机姿态控制系统,旨在设计一款灵活性好、可扩展的嵌入式飞控系统。灵活性好要求系统开发软件在不同的硬件平台上方便移植；可扩展性良好则要求系统具有较多的通信接口和良好的模块性,为今后的升级和开发做好相应的基础。该系统硬件结构简单,并且具有模块化的软件平台、清晰调理的任务管
13、理、性能稳定等优点,因此具有较强的理论和实践价值4。1.2 研究现状与发展近年来,四轴飞行器受到国外许多科研机构的浓厚兴趣,四轴飞行器是一个智能控制学、空气动力学等融合了多领域研究课题,在短短的几年已经取得了相对较大的进步。但是,在国,四旋翼飞行器的发展还正处于初级阶段,四旋翼飞行器的开发缺乏经验和核心技术,并且在专业领域当未能得到大批量的生产。因此我们有必要投入更多的精力和人力到四旋翼飞行器的开发当中。美国麻省理工大学的 Jonathan P. How 教授带领 ACL团队研制的DraganFlyer II 型四旋翼飞行器,他们运用的是自主设计的可以实时室自动驾驶无人机测试的RAVEN 系统
14、。其主要目的是通过地面站对多台无人机实现阵列操控。他们利用 IMU 惯性测量原件对飞行器进行各个姿态的测量,利用激光扫描阵列来感知周围的环境,规划和重建飞行的航线。目前,此项目已经完成了室多台无人机阵列的目标连续搜索、追踪、多机编队飞行等实验,该技术已经处在世界的领先水平5。美国斯坦福大学的 Tomlin 教授领导的混合动力系统实验室研制了Draganflyer III 飞行器,他们采用的是基于两片 PIC186520 单片机的STARMAC系统,第一代飞行器由于处理器控制速度和精度一般,所以无法实现高级的控制算法,第二代的基于 STARMAC 系统的四旋翼飞行器,配备6轴IMU测量单元和 G
15、PS导航实现对飞行器姿态和位置等信息的采集。目前,该团队已致力于飞行器的高级应用控制6。中国航空航天大学自动化科学与电气工程学院的胡金辉与袁少强研制了基于ATMEGA128单片机的四旋翼飞行控制系统,ATMEGA128是ATMEL公司研发的8位AVR 微处理器,它通过扩展一些必要的外围电路,具有较高的性价比和集成度,但是由于ATMEGA128是8位AVR单片机,其处理速度和处理精度都有待提高7。工业大学设计的基于嵌入式处理器 S3C44BOX 的C/OS-无人机控制系统, C/OS-实时操作系统将各个任务模块通过进行调度管理的形式组合成一个紧密结合的整体。整个飞控系统性能可靠,具有一定的扩展性,可移植性好,适应不同的应用需求,满足了对无人机飞行控制系统小型化、低功耗、实时性的要求8。1.3 研究容为了适应四旋翼飞行器系统的稳定性和精确
