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基于STM32的小型无人机飞行控制系统设计

杨磊  
【摘要】:近些年来,小型无人机因结构简单、费效比高、维护方便、起降灵活、机动性能好等特点而被广泛应用,该领域的研究一直呈现高涨势头。而无人机的“大脑”是飞行控制系统,负责执行飞行过程中的导航、控制、通信等任务。随着微处理器和微传感器工艺和架构的不断发展进步,芯片的数据处理能力和采集精度也大大提高。这使开发数字式、高性能、低功耗、可扩展的小型无人机飞控成为可能。近年来随着耕地面积的减少,急需要新技术与新设备提升土地的利用效率实现增产增收。小型无人机在农业领域上可以改变传统的作业模式,实现精准农业提高作业效率。在农业上无人机广泛应用于农田灌溉、农药喷洒、农情监测、病虫害监测、作物养分分析、作物长势监测等方面,可以帮助农业生产人员及时、准确地获取作物生长信息,可为减灾降灾和应急指挥提供科学依据,现已取得了较为理想的应用效果,具有广阔的应用前景。这些新技术的应用都需要精度高、稳定性好、功耗低的无人机飞控平台的支持。本文基于新型STM32F4系列为核心设计了小型无人机飞控系统的总体方案,围绕硬件、软件以及仿真测试进行方案设计。飞行控制系统是一个复杂的多状态量、多控制量的非线性动态耦合系统。飞控不仅需要采集传感器数据、解算姿态和位置信息、发送和接收操作指令,同时也要保证系统的实时性,精确性以及稳定性。本文针对飞控系统的小型化、数字式、低功耗等问题展开研究。完成飞控系统的总体设计方案、芯片选型与硬件电路设计、软件设计与编码以及六自由度模型仿真,最后在完成以上工作的基础上开展搭载实验。本文根据工程实际需求提出方案设计,在硬件设计上采用低成本、数字式、低功耗的传感器降低开发成本。使用数字式的陀螺仪、加速度计以及磁强计作为姿态测量传感器;高精度GPS模块确定位置信息;采用数传电台以及PWM数字舵机负责无人机指令信息的发送和执行;软件设计上,采用软件工程思想对无人机展开任务划分,其中包含系统与参数初始化、数据采集、导航解算、控制律与控制回路设计、通信系统设计。其次通过对无人机的受力分析,建立无人机线运动方程和角运动方程。控制上采用经典PID算法,展开横向控制回路、纵向控制回路的控制律设计。最后,针对建立的无人机六自由度模型展开无人机仿真实验,验证无人机的导航解算以及控制律和控制回路的合理性和准确性,在此基础上展开无人机搭载实验,为导航和控制回路以及仿真实验提供数据支撑。同时检验了系统的硬件与软件设计以及导航律控制律的准确性和可行性。


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