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小型无人机自动驾驶仪硬件设计及姿态算法研究

宁昭凯  
【摘要】:近年来,小型无人机成为新的研究热点,在军用和民用方面的应用前景十分广阔。因此,本文针对小型无人机自动驾驶仪硬件电路设计和航姿算法进行研究。首先,本文论述了课题的研究背景及研究意义,简单介绍了国内外无人机自动驾驶仪的研究现状以及多传感器数据融合技术的发展状况,总述了本文的主要研究内容。其次,针对小型无人机自动驾驶仪系统总体设计方案展开分析,介绍了无人机自动驾驶仪的原理,分析了设计需求,基于设计需求完成了硬件平台和软件驱动方案的设计。再次,详细介绍了基于ARM处理器的小型无人机自动驾驶仪的硬件平台和驱动软件的设计方案。给出了核心控制单元、电源模块、AHRS模块、无线通信模块、舵机驱动模块的详细电路原理图和设计原理分析;然后简单介绍了PCB及电磁兼容性方面的设计;最后设计了SPI接口、I2C接口、UART和PWM输出的软件驱动程序。之后,介绍了姿态解算的理论基础,包括坐标系定义、坐标系转换、姿态更新算法等;然后完成了MEMS惯性传感器的误差标定和补偿;最后提出了一种基于高斯牛顿和互补滤波(CF)算法相结合的航姿参考系统(AHRS)的设计方法。该算法使用四元数表征姿态,使用MEMS传感器测量的数据,把角速率转化为四元数变化率,然后对其积分得到四元数,文中应用高斯牛顿迭代算法计算得到最优四元数。将计算得到的最优四元数与利用陀螺仪数据得到的四元数结合,通过基于互补滤波算法的姿态求解器解算出姿态角。最后,对整个小型无人机自动驾驶仪系统的进行测试。基于开源上位机监控系统对硬件平台进行测试,包括电源、传感器和PWM输出测试;设计验证试验(仿真实验和实物实验)验证姿态解算算法的可行性和准确性。大量实验测试结果表明,小型无人机自动驾驶仪的硬件平台和航姿解算算法可以满足应用需求。


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