无人机飞控系统研究与设计(附件)【字数：15309】
Research and Design of UAV Flight Control System摘 要Research and Design of UAV Flight Control System摘 要在无人驾驶技术越来越重视的现代，无人机已经更多的被大多数国度所注重，目前大约有 30 个国家从事无人机的研制。飞控系统是无人机的“心脏”部分，它的性能直接决定着无人机的适用范围和性能强度，数据传输内容是否准确，数据传输速度是否及时，是作为衡量无人机的一个重要标准。现代微电子和制作工艺的进步，使得飞控系统正朝着体积小、功能强和功耗低等目的发展。作为无人飞行器的一种，四轴飞行器是一个成本低、飞行高度低的遥感平台，其在各个领域都有广泛运用。虽然四轴飞行器与其他类型的飞行器比较起来，硬件结构精简紧凑，但是软件算法多样，许多爱好者参与制作四轴无人机，就是因为从数据融合到姿态解算，到稳定和快速的控制算法，都可以进行私人订制，个性化的的程序也是四轴飞行器的魅力之一。本架四轴无人机，飞行控制处理器选择ST公司推出的STM32作为，遥控器接收板选择STM32F4 Discovery开发板，姿态传感器选择MPU6050陀螺加速度计，机架选择f450，四个电机选择空心杯电机，两对桨叶选择apc正反桨，电池选择锂电池，以及四轴遥控器等作为无人机的组成部分；其次，在keil软件中进行对无人机飞控程序的修改和编译；最后，在MDK的开发环境下，进行相关调试工作，确定设计方案。最终完成一个能够稳定飞行、具有一定的快速性和鲁棒性的小型四轴飞行器。关键词 STM32F4 Discovery 四轴飞行器 航姿参考系统 数据融合 PID算法
目 录
第一章 绪论 1
1.1无人机的发展历史 1
1.2研究背景和意义 2
第二章 飞计要求级系控系统的设统方案 4
2.1 飞行和控制的基本原理 4
2.2飞控系统的设计要求 7
2.3飞行控制系统实验平台 8
2.4 飞行控制系统总体方案设计 8
2.4.1机载飞空设计 9
2.4.2地面测控系统设计 10
2.5 本章小结 10
第三章 飞控系统硬件设计 11 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.1核心处理器 11
3.2数据采集传感器 12
3.2.1电源管理电路 12
3.2.2传感器接口电路 13
3.2.3空心杯电机驱动电路 14
3.3 本章小结 15
第四章 飞控系统软件设计 16
4.1飞控软件设计要求 16
4.2 飞控软件开发工具 16
4.2.1开发工具选择条件 16
4.2.2 开发工具的选择 17
4.3飞行控制系统软件流程 18
4.4 坐标定义及变换 20
4.4.1坐标系定义 20
4.4.2姿态角定义 21
4.4.3方向余弦矩阵 22
4.4.4三维坐标变换 23
4.4.5姿态角解算 24
4.5导航滤波算法 26
4.5.1引言 26
4.5.2姿态估计算法 26
4.6 PID控制部分 31
4.7本章小结 33
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1 无人机的发展历史
第一阶段：萌芽期。 1914年，在第一次世界大战中，英国的卡德和波切尔两位将军提出开发无人空袭炸弹，这种炸弹可以在不需要驾驶人员的情况下，飞越目标，摧毁敌人，但实验几次均以失败告终。 1917年，Peter Cooper和Elm A. Spyder发明了第一台自动陀螺稳定器，从那时，标志了无人机的正式诞生。无人机的第一次成功的军事应用是美国斯皮里“空中鱼雷”型无人机，在测试中这架安装了一枚300磅重的炸弹，并且成功地飞行了50英里[1]。严格的说无人机应该是可以进行操作或者能定点导航的飞行器，以上的实验只能认为是导弹的试飞。1935年，“蜜蜂”型无人机的诞生是无人机真正启动的时代，可以说是揭开了现代无人机“创始人”的历史。由于无人机便宜和易操作的特点，世界上越来越多国家都选择将无人机投入战场，执行危险任务。但无人机较低的性能使得它的适用范围有限，只有少数技术强大大国才将无人机正式投入战场。虽然无人机是被很多大国所遗弃了，但对于刚刚经历过战争的中国，无人机确实是有必要的。新中国初期，中国的无人机技术发展主要是靠苏联的技术资金支持，60年代后苏联从中国撤资，中国的无人机事业收到了巨大的影响，但是中国人民发扬艰苦卓绝的精神，成功地在1966年12月发射了新中国第一架独立自主研制的无人机“天空一号”。
第二阶段：进步期。导航技术和电机技术的进步给飞行设备带来了更加先进的技术，同时一些成熟的技术也被允许在无人机上使用。直到1982年，以色列首次开展了无人机和人的合作战斗，无人驾驶飞机返回大家的关注，而无人机在海湾战争的辉煌战绩中也引起了各个国家军方高层的重视，打开了无人机路的真正发展的道路。 美国作为军事强国，在经历过科索沃战争后，一方面看到了无人机在战争中无可替代的价值，一方面也发现了无人机技术的落后，在之后的科研任务中，无人机也是发展的的重要部分。
第三阶段：繁荣期。二十一世纪初，由于无人飞行器的外形较大，目标明显，携带不方便，所以开发出了一款迷你型无人机，机型更紧凑，性能更稳定，可以通过一个背包进行运输。同时无人机技术的成熟使得其制作成本降低，直接导致了民用无人机的诞生。 2006年，著名的大疆无人机公司成立，已经推出了phantom系列无人机，在世界范围内产生了有深远的影响制，2014年大疆无人机公司的phantom2vision+还入选了《时代》杂志[2]。 2009年，美国加利福尼亚3DRobotics无人机设立，这是一家主要制造和销售的DIY类遥控飞机（UAV）相关部件的公司，在2014年推出X8 +四轴飞机后，获得了极高的评价，是中国大疆公司十分有力的竞争对手。在2015年无人机得到了快速发展，各大运营商也纷纷向无人机产业进行投资，无人机产业得到了大量的资金发展。现如今在市面上已经有超过400种无人机，有超过40个国家正大力研发自主创新型无人机。无人机的飞速发展在为人们生活提供便利的同时，也给未来埋下了隐患，通过立法来维持市场秩序，维护人们的基本利益已是迫在眉睫。为此，在2015年10月，美国已经宣布了一条对个人无人机进行登记制度，以维持无人机市场的秩序。虽然中国在无人机管理上还处于起步阶段，但我们坚信这一制度必然会得到完善。
1.2 研究背景和意义
无人驾驶飞行器是不载有驾驶员，使用无线电遥控或使用其自己预自备程序进行控制的飞行器。 目前的主流无人机还有：固定翼飞机和单轴直升机。 固定翼无人机起飞需要跑道，转向需要较大的滚动角，四轴无人机起飞和降落只需要一个平台，在空中可以随意转变姿态，灵活机动，但同时也具有使用寿命短，飞行速度慢，最大航程短的缺点；和单轴直升机相比，四轴飞机机械简单，成本低，无需额外的机翼抵消反力矩。 涉及一个四轴飞机系统需要将许多学科综合运用，其中有流体力学，飞行器建模分析，机械设计，无线通信技术，飞行控制技术，电机驱动等学科和技术，是一门学科交叉的技术。
目 录
第一章 绪论 1
1.1无人机的发展历史 1
1.2研究背景和意义 2
第二章 飞计要求级系控系统的设统方案 4
2.1 飞行和控制的基本原理 4
2.2飞控系统的设计要求 7
2.3飞行控制系统实验平台 8
2.4 飞行控制系统总体方案设计 8
2.4.1机载飞空设计 9
2.4.2地面测控系统设计 10
2.5 本章小结 10
第三章 飞控系统硬件设计 11 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.1核心处理器 11
3.2数据采集传感器 12
3.2.1电源管理电路 12
3.2.2传感器接口电路 13
3.2.3空心杯电机驱动电路 14
3.3 本章小结 15
第四章 飞控系统软件设计 16
4.1飞控软件设计要求 16
4.2 飞控软件开发工具 16
4.2.1开发工具选择条件 16
4.2.2 开发工具的选择 17
4.3飞行控制系统软件流程 18
4.4 坐标定义及变换 20
4.4.1坐标系定义 20
4.4.2姿态角定义 21
4.4.3方向余弦矩阵 22
4.4.4三维坐标变换 23
4.4.5姿态角解算 24
4.5导航滤波算法 26
4.5.1引言 26
4.5.2姿态估计算法 26
4.6 PID控制部分 31
4.7本章小结 33
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
第一章 绪论
1.1 无人机的发展历史
第一阶段：萌芽期。 1914年，在第一次世界大战中，英国的卡德和波切尔两位将军提出开发无人空袭炸弹，这种炸弹可以在不需要驾驶人员的情况下，飞越目标，摧毁敌人，但实验几次均以失败告终。 1917年，Peter Cooper和Elm A. Spyder发明了第一台自动陀螺稳定器，从那时，标志了无人机的正式诞生。无人机的第一次成功的军事应用是美国斯皮里“空中鱼雷”型无人机，在测试中这架安装了一枚300磅重的炸弹，并且成功地飞行了50英里[1]。严格的说无人机应该是可以进行操作或者能定点导航的飞行器，以上的实验只能认为是导弹的试飞。1935年，“蜜蜂”型无人机的诞生是无人机真正启动的时代，可以说是揭开了现代无人机“创始人”的历史。由于无人机便宜和易操作的特点，世界上越来越多国家都选择将无人机投入战场，执行危险任务。但无人机较低的性能使得它的适用范围有限，只有少数技术强大大国才将无人机正式投入战场。虽然无人机是被很多大国所遗弃了，但对于刚刚经历过战争的中国，无人机确实是有必要的。新中国初期，中国的无人机技术发展主要是靠苏联的技术资金支持，60年代后苏联从中国撤资，中国的无人机事业收到了巨大的影响，但是中国人民发扬艰苦卓绝的精神，成功地在1966年12月发射了新中国第一架独立自主研制的无人机“天空一号”。
第二阶段：进步期。导航技术和电机技术的进步给飞行设备带来了更加先进的技术，同时一些成熟的技术也被允许在无人机上使用。直到1982年，以色列首次开展了无人机和人的合作战斗，无人驾驶飞机返回大家的关注，而无人机在海湾战争的辉煌战绩中也引起了各个国家军方高层的重视，打开了无人机路的真正发展的道路。 美国作为军事强国，在经历过科索沃战争后，一方面看到了无人机在战争中无可替代的价值，一方面也发现了无人机技术的落后，在之后的科研任务中，无人机也是发展的的重要部分。
第三阶段：繁荣期。二十一世纪初，由于无人飞行器的外形较大，目标明显，携带不方便，所以开发出了一款迷你型无人机，机型更紧凑，性能更稳定，可以通过一个背包进行运输。同时无人机技术的成熟使得其制作成本降低，直接导致了民用无人机的诞生。 2006年，著名的大疆无人机公司成立，已经推出了phantom系列无人机，在世界范围内产生了有深远的影响制，2014年大疆无人机公司的phantom2vision+还入选了《时代》杂志[2]。 2009年，美国加利福尼亚3DRobotics无人机设立，这是一家主要制造和销售的DIY类遥控飞机（UAV）相关部件的公司，在2014年推出X8 +四轴飞机后，获得了极高的评价，是中国大疆公司十分有力的竞争对手。在2015年无人机得到了快速发展，各大运营商也纷纷向无人机产业进行投资，无人机产业得到了大量的资金发展。现如今在市面上已经有超过400种无人机，有超过40个国家正大力研发自主创新型无人机。无人机的飞速发展在为人们生活提供便利的同时，也给未来埋下了隐患，通过立法来维持市场秩序，维护人们的基本利益已是迫在眉睫。为此，在2015年10月，美国已经宣布了一条对个人无人机进行登记制度，以维持无人机市场的秩序。虽然中国在无人机管理上还处于起步阶段，但我们坚信这一制度必然会得到完善。
1.2 研究背景和意义
无人驾驶飞行器是不载有驾驶员，使用无线电遥控或使用其自己预自备程序进行控制的飞行器。 目前的主流无人机还有：固定翼飞机和单轴直升机。 固定翼无人机起飞需要跑道，转向需要较大的滚动角，四轴无人机起飞和降落只需要一个平台，在空中可以随意转变姿态，灵活机动，但同时也具有使用寿命短，飞行速度慢，最大航程短的缺点；和单轴直升机相比，四轴飞机机械简单，成本低，无需额外的机翼抵消反力矩。 涉及一个四轴飞机系统需要将许多学科综合运用，其中有流体力学，飞行器建模分析，机械设计，无线通信技术，飞行控制技术，电机驱动等学科和技术，是一门学科交叉的技术。
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