多旋翼無人機智能控制芯片的關鍵模塊設計與驗證.pdf

1、近年來，由于多旋翼無人機具有結構簡單、體積小、安全性高、垂直起降、空中懸停等優(yōu)點，被廣泛的應用于地圖測繪、森林滅火、公路巡查、活動航拍等各個領域。目前，市場上已經(jīng)有大量的多旋翼無人機，其中大部分的產(chǎn)品都是采用ARM內(nèi)核的芯片和軟件編程來控制飛行。但是，通過軟件對數(shù)據(jù)采集和處理有速度慢和精度低等缺點，這嚴重影響了飛行器的智能控制；同時軟件處理系統(tǒng)的功耗大，降低了無人機的續(xù)航時間。
　　為了解決上述缺陷，實驗室成立了專用飛行控制芯片設

2、計小組，而本文通過對多旋翼無人機系統(tǒng)的研究與分析，設計了該芯片中姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、GPS數(shù)據(jù)解碼模塊、遙控舵機系統(tǒng)控制模塊等關鍵模塊，實現(xiàn)了外設與控制芯片的數(shù)據(jù)通信、傳感器數(shù)據(jù)的濾波與校準、外設的智能控制。
　　姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理模塊：通過分析系統(tǒng)中陀螺儀、加速度計、磁力計的采集數(shù)據(jù)，得出三個傳感器的輸入數(shù)據(jù)存在隨機漂移誤差，陀螺儀和磁力計有較大的零位偏移。根據(jù)姿態(tài)解算要求，采用平滑濾波消除三個傳感器的隨機漂移，均值法估算陀

3、螺儀的零位偏移，橢圓擬合法校準磁力計，二階溫度補償法校準氣壓計的偏差；建立數(shù)據(jù)的自動刷新、串行處理、同步輸出方案。設計各算法的硬件電路和I2C、SPI等基本通信接口電路，通過基于ZYNQ7Z020的板級驗證，得出接口的數(shù)據(jù)采集和處理速率相比軟件提高了51.6％。
　　GPS數(shù)據(jù)解碼模塊：設計GPS模塊的UART通信接口電路；根據(jù)NMEA協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式，將數(shù)據(jù)信息分為三類，并建立相應的解碼方案；采用五級硬件結構實現(xiàn)解碼方案，同時設

4、計同步輸出校驗和電路；通過軟件仿真和板級驗證得出電路功能正確，且相對于軟件解碼可做到高頻實時輸出數(shù)據(jù)。
　　遙控舵機系統(tǒng)控制模塊：利用示波器采集接收機的PWM信號，分析信號中包含的毛刺和噪聲，并根據(jù)PID對輸入通道數(shù)據(jù)的處理要求設計了遙控器接收模塊；根據(jù)無人機飛行模式，對通道值進行編碼，包含電機調(diào)試、鎖定、正常飛行三個模式；根據(jù)無人機的工作模式和PID輸出值與電機通道值的轉(zhuǎn)換關系，設計電調(diào)的智能控制模塊?；赯YNQ7Z020搭建