基于STM32的小型無人機飛行控制系統(tǒng)設(shè)計.pdf

近些年來，小型無人機因結(jié)構(gòu)簡單、費效比高、維護方便、起降靈活、機動性能好等特點而被廣泛應(yīng)用，該領(lǐng)域的研究一直呈現(xiàn)高漲勢頭。而無人機的“大腦”是飛行控制系統(tǒng)，負責(zé)執(zhí)行飛行過程中的導(dǎo)航、控制、通信等任務(wù)。隨著微處理器和微傳感器工藝和架構(gòu)的不斷發(fā)展進步，芯片的數(shù)據(jù)處理能力和采集精度也大大提高。這使開發(fā)數(shù)字式、高性能、低功耗、可擴展的小型無人機飛控成為可能。近年來隨著耕地面積的減少，急需要新技術(shù)與新設(shè)備提升土地的利用效率實現(xiàn)增產(chǎn)增收。小型無人機在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上可以改變傳統(tǒng)的作業(yè)模式，實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提高作業(yè)效率。在農(nóng)業(yè)上無人機廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、農(nóng)藥噴灑、農(nóng)情監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、作物養(yǎng)分分析、作物長勢監(jiān)測等方面，可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員及時、準(zhǔn)確地獲取作物生長信息，可為減災(zāi)降災(zāi)和應(yīng)急指揮提供科學(xué)依據(jù)，現(xiàn)已取得了較為理想的應(yīng)用效果，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些新技術(shù)的應(yīng)用都需要精度高、穩(wěn)定性好、功耗低的無人機飛控平臺的支持。本文基于新型STM32F4系列為核心設(shè)計了小型無人機飛控系統(tǒng)的總體方案，圍繞硬件、軟件以及仿真測試進行方案設(shè)計。飛行控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多狀態(tài)量、多控制量的非線性動態(tài)耦合系統(tǒng)。飛控不僅需要采集傳感器數(shù)據(jù)、解算姿態(tài)和位置信息、發(fā)送和接收操作指令，同時也要保證系統(tǒng)的實時性，精確性以及穩(wěn)定性。本文針對飛控系統(tǒng)的小型化、數(shù)字式、低功耗等問題展開研究。完成飛控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、芯片選型與硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計與編碼以及六自由度模型仿真，最后在完成以上工作的基礎(chǔ)上開展搭載實驗。本文根據(jù)工程實際需求提出方案設(shè)計，在硬件設(shè)計上采用低成本、數(shù)字式、低功耗的傳感器降低開發(fā)成本。使用數(shù)字式的陀螺儀、加速度計以及磁強計作為姿態(tài)測量傳感器高精度GPS模塊確定位置信息采用數(shù)傳電臺以及PWM數(shù)字舵機負責(zé)無人機指令信息的發(fā)送和執(zhí)行軟件設(shè)計上，采用軟件工程思想對無人機展開任務(wù)劃分，其中包含系統(tǒng)與參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航解算、控制律與控制回路設(shè)計、通信系統(tǒng)設(shè)計。其次通過對無人機的受力分析，建立無人機線運動方程和角運動方程?？刂粕喜捎媒?jīng)典PID算法，展開橫向控制回路、縱向控制回路的控制律設(shè)計。最后，針對建立的無人機六自由度模型展開無人機仿真實驗，驗證無人機的導(dǎo)航解算以及控制律和控制回路的合理性和準(zhǔn)確性，在此基礎(chǔ)上展開無人機搭載實驗，為導(dǎo)航和控制回路以及仿真實驗提供數(shù)據(jù)支撐。同時檢驗了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計以及導(dǎo)航律控制律的準(zhǔn)確性和可行性。