基于STM32的小型無人機飛行控制系統(tǒng)設計.pdf

近些年來，小型無人機因結構簡單、費效比高、維護方便、起降靈活、機動性能好等特點而被廣泛應用，該領域的研究一直呈現(xiàn)高漲勢頭。而無人機的“大腦”是飛行控制系統(tǒng)，負責執(zhí)行飛行過程中的導航、控制、通信等任務。隨著微處理器和微傳感器工藝和架構的不斷發(fā)展進步，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、可擴展的小型無人機飛控成為可能。
　　近年來隨著耕地面積的減少，急需要新技術與新設備提升土地的利用效率實現(xiàn)增產(chǎn)增收。小型無人機在農業(yè)領域上可以改變傳統(tǒng)的作業(yè)模式，實現(xiàn)精準農業(yè)提高作業(yè)效率。在農業(yè)上無人機廣泛應用于農田灌溉、農藥噴灑、農情監(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，可以幫助農業(yè)生產(chǎn)人員及時、準確地獲取作物生長信息，可為減災降災和應急指揮提供科學依據(jù)，現(xiàn)已取得了較為理想的應用效果，具有廣闊的應用前景。這些新技術的應用都需要精度高、穩(wěn)定性好、功耗低的無人機飛控平臺的支持。本文基于新型STM32F4系列為核心設計了小型無人機飛控系統(tǒng)的總體方案，圍繞硬件、軟件以及仿真測試進行方案設計。
　　飛行控制系統(tǒng)是一個復雜的多狀態(tài)量、多控制量的非線性動態(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，同時也要保證系統(tǒng)的實時性，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)的總體設計方案、芯片選型與硬件電路設計、軟件設計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上開展搭載實驗。
　　本文根據(jù)工程實際需求提出方案設計，在硬件設計上采用低成本、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、加速度計以及磁強計作為姿態(tài)測量傳感器;高精度GPS模塊確定位置信息;采用數(shù)傳電臺以及PWM數(shù)字舵機負責無人機指令信息的發(fā)送和執(zhí)行;軟件設計上，采用軟件工程思想對無人機展開任務劃分，其中包含系統(tǒng)與參數(shù)初始化、數(shù)據(jù)采集、導航解算、控制律與控制回路設計、通信系統(tǒng)設計。其次通過對無人機的受力分析，建立無人機線運動方程和角運動方程?？刂粕喜捎媒?jīng)典PID算法，展開橫向控制回路、縱向控制回路的控制律設計。最后，針對建立的無人機六自由度模型展開無人機仿真實驗，驗證無人機的導航解算以及控制律和控制回路的合理性和準確性，在此基礎上展開無人機搭載實驗，為導航和控制回路以及仿真實驗提供數(shù)據(jù)支撐。同時檢驗了系統(tǒng)的硬件與軟件設計以及導航律控制律的準確性和可行性。