基于STM32的小型無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

近些年來，小型無人機(jī)因結(jié)構(gòu)簡單、費(fèi)效比高、維護(hù)方便、起降靈活、機(jī)動(dòng)性能好等特點(diǎn)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(jī)的“大腦”是飛行控制系統(tǒng)，負(fù)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(jìn)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(kuò)展的小型無人機(jī)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(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收。小型無人機(jī)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域上可以改變傳統(tǒng)的作業(yè)模式，實(shí)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(jī)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(shí)、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(jī)飛控平臺(tái)的支持。本文基于新型STM32F4系列為核心設(shè)計(jì)了小型無人機(jī)飛控系統(tǒng)的總體方案，圍繞硬件、軟件以及仿真測試進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。
　　飛行控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多狀態(tài)量、多控制量的非線性動(dòng)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(shí)也要保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)方案、芯片選型與硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)。
　　本文根據(jù)工程實(shí)際需求提出方案設(shè)計(jì)，在硬件設(shè)計(jì)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(jì)以及磁強(qiáng)計(jì)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(tái)以及PWM數(shù)字舵機(jī)負(fù)責(zé)無人機(jī)指令信息的發(fā)送和執(zhí)行;軟件設(shè)計(jì)上，采用軟件工程思想對無人機(jī)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(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其次通過對無人機(jī)的受力分析，建立無人機(jī)線運(yùn)動(dòng)方程和角運(yùn)動(dòng)方程。控制上采用經(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(jì)。最后，針對建立的無人機(jī)六自由度模型展開無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證無人機(jī)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(jī)搭載實(shí)驗(yàn)，為導(dǎo)航和控制回路以及仿真實(shí)驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)檢驗(yàn)了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)以及導(dǎo)航律控制律的準(zhǔn)確性和可行性。