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1、 2016 南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计论文 学院系 电子与电气工程学院 专 业 电子信息工程 学 生 指导教师 完成日期 南阳理工学院本科生毕业设计论文 基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计 Autonomous control system for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors 总计 毕业设计论文25 页 表 格 0 个 插 图 20 幅 3 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计论文 基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计 Autonomous controlsystem f
2、or the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors 学 院系 电子与电气工程学院 专 业 电子信息工程 学 生 姓 名 学 号 指 导 教 师职称 评 阅 教 师 完 成 日 期 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 4 基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计 摘要针对改变传统以单片机为处理器的四旋翼自主控制飞行器控制方式的问题设计了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案。这是一种基于ARM的低成本、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案。详细介绍了控制系统
3、的总体构成以及硬软件设计方案包括传感器模块、视屏采集模块、系统核心控制功能模块、无线通信模块、地面控制和数据处理模块。实验结果表明该设计结合嵌入式实时操作系统保证了系统的高可靠性和高实时性能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。 关键词ARM四旋翼自主飞行器控制系统。 Autonomous control system for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors AbstractIn order to change the conventional control of fourrotor unm
4、anned aerial vehicles using microcontroller as the processora solution of flight control system based on embedded ARM was presentedwhich is low-cost, small volume, low power consumption and high performance. The purpose of the work is for attending the National Aerial Robotics Competition. The main
5、function of the systemthe hardware structure and the software design were discussed in detailincluding the sensor modulethe motor modulethe wireless communication moduleWith embedded real time operating system to ensure the systems high reliability and real-time performancethe experiments results sh
6、ow that the requirements of flight mode are satisfiedincluding taking ofhoveringand landing and so on Key wordsARMfour-rotor unmanned aerial vehiclescontrol system 5 of the control signals 1 四旋翼飞行器的简介 1.1题目综述 微型飞行器MicroAir Vehicle/MAV的概念最早是在上世纪九十年代由美国国防部远景研究局DARPA提出的。一般来讲MAV 的特征是最大尺寸为 35 厘米以下最大质量在 3
7、00 克以内飞行半径大于 10 千米最高时速达80 千米/小时最高飞行高度可达 300 米。MAV 是充分利用微机电、微电子、智能控制和通讯等高科技的微型智能系统。微型飞行器目标小、灵活性好、成本低能够在现代化战争如空中电子战、生化战、侦察与反侦察、干扰与反干扰、隐身与反隐身、特种单兵作战中扮演特殊角色以满足国防现代化的需求。微型飞行器中包含很多新概念飞行原理与仿生研究思想因此具有广泛的科学研究价值及民用价值。 微型飞行器有一段漫长而又断断续续的历史。最早的四旋翼飞机可以追溯到1907年由Louis和Jacques Breguet等人研制出的“Gyroplane”便已经成功携带飞行员飞了1.5
8、m的高度。1922年美国军方资助George de Bothezat研制了一个大型的四旋翼机但是飞行表现不能令人满意另外费用高昂和当时固定翼飞机的流行使得该项目最终搁浅。最成功的四旋翼飞机是1956年由covertawing公司资助D.H.kaplar研制出的H型的四旋翼机但是由于工程人员缺乏足够的兴趣该项目也最终停止。20世纪80年代随着微型飞机新型材料、微机电MEMS、微惯导MIMU的产生和飞行控制理论的发展微型飞机得到迅速发展。由于其广泛的应用前景和使用价值四旋翼自主控制飞机吸引了大批研究人员和学者的关注。 目前的飞行器控制系统多采用单片机来完成姿态控制存在硬件资源有限运算和处理速度慢等
9、问题。本研究硬件开发平台使用 32位的ARM 芯片作为核心处理器大量使用 MEMS 传感器整个系统要求体积小、重量轻。同时对各个传感器输出的信号进行采集和处理并采用了硬件抗干扰措施提高飞行控制硬件系统的稳定性和抗干扰性。本文以实现基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统为目标对 ARM的MAV自主控制系统和硬件实现进行了深入的学习和研究。 1.2国内外研究状况 随着新型材料以及飞行控制技术的进步四旋翼自主控制飞行器得到了迅速的发展在军事和民用领域具有广阔的应用前景。基于ARM的四旋翼自主飞行器也得到了迅速发展。和传统的直升机相比,它有着自身的优势:当前后两个旋翼逆时针旋转,而左右两侧的旋翼顺时针旋转
10、时,则尾桨控制和旋翼倾斜问题可以被忽略。 6 目前国外四旋翼无人直升机的研究工作主要集中在以下三个方面基于惯导的自主飞行、基于视觉系统的自主飞行和自主飞行器系统。典型代表有瑞士洛桑联邦科技学院的OS4、澳大利亚国立大学的X4、宾夕法尼亚大学的HMX4、佐治亚理工大学的GTMARS、斯坦福的Mesicopter 等等。其中法国将对微型无人机领域进行开发他们对翼展 20cm 的微型无人机概念进行研究。从 2000 年底开始,法国武器装备部将可放在步兵背包中的无人侦察机进行招标。其战术指标为固定翼飞行器机长为 3040 cm安装简便快捷装备光学传感器。从 2005 年开始它将在狭窄空间内进行巡逻即可
11、在城市街道上空机动飞行但不会进入房间。室内观测任务将留给直接采取昆虫飞行方式的微型扑翼无人机这种无尾翼构型独特的无人机能平稳寂静地在室内进行机动飞行并能悬停。总之这种微型无人机的研制要求在设备的小型化、推进技术和包括昆虫飞行方面的技术做出巨大努力。如果研制进展顺利预计到 2013年底该机可投入使用。 我国目前也在开展对扑翼微型无人机的研究主要研究其流动机理与空气动力学特性、扑翼传动机构的设计以及微动力与能源系统的实现。在当前微型飞行器的发展趋势是微型化、创新化、智能化、自动化、仿生化及多用途等。国内对于四旋翼机的研究主要集中在几所高校之中。例如国防科技大学、南京航空航天大学、西北工业大学、北京
12、科技大学和哈尔滨工业大学等等。大多数的研究方式是理论分析和计算机仿真提出了很多控制算法。例如针对自主飞行机模型的不确定性和非线性设计的DI/QFT动态逆/定量反馈理论控制器国防科技大学提出的自抗扰控制器ADRC可以对小型四旋翼飞机实现姿态增稳控制还有一些经典的方法比如PID控制、H控制等。 1.3本文研究的主要内容 从低价位、低功耗、高性能等方面考虑本文设计了四旋翼飞行器的自主飞控制系统整体方案、并完成了飞控系统硬件部分的设计。本文针对某型固定翼微型飞行器设计了全新的自主飞行控制系统。硬件开发平台使用ARM芯片作为核心处理器大量使用MEMS传感器整个系统体积小、重量轻完全符合项目要求。总体设计
13、首先将软硬件系统分解成基本功能模块分别介绍了分各模块的功能和作用接下来给出了了各功能模块的设计思路为以下各章内容做准备。硬件子系统设计介绍了元器件的选型原则和选型结果并且给出了DSP最小系统的设计步骤和电路抗干扰的措施。软件设计首先给出控制系统的软件总流程然后分别对每个模块的算法流程和软件实现进行介绍。 本文对各个传感器输出的信号进行采集和处理并采用了硬件抗干扰措施提高飞行控制硬件系统的稳定性和抗干扰性。在ARM环境下本文采用了嵌入式Linux操作 7 系统技术。对硬件方面的研究对微型飞行器自主飞行控制硬件系统设计关键是针对MAV 姿态稳定和导航控制的功能的实现对于选用的各个功能部件的要求它主要包括机载计算机和 MEMS 传感器等。基于 ARM 的飞控系统硬件电路原理图设计包括ARM 资源的介绍和应用、电源和复位电路设计UART、SPI、JTAG等接口电路的设计定时器的使用和PWM信号发生电路的设计加速度计、陀螺、磁力计等
