基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计

中图分类号：TP391论文编号：102870112-S177学科分类号：082501硕士学位论文基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计研究生姓名胡庆学科、专业飞行器设计研究方向无人机飞行控制指导教师宋彦国副教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一二年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringTheDesignofUAVFlightControlSystemBasedonSTM32MicroControlUnitAThesisinFlightVehicleDesignbyHuQingAdvisedbyProfessorSongYanguoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2012承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有着作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文I摘要本文从工程应用出发，将航模固定翼飞机作为研究平台，在总结国内外微小型无人机飞行控制系统设计的基础上，提出了低成本飞行控制系统设计方案。首先，提出飞行控制系统总体方案，对硬件系统进行了详细设计。无人机硬件系统总体分为两个部分：机载飞控系统和地面测控系统，其中机载飞控系统以STM32微控制器为核心，集成了数据采集系统、GPS模块、遥控解码模块、舵机驱动模块、数传电台和电源模块；地面测控系统包括测控计算机、数传电台、地面站软件、发射机等。其次，对无人机捷联导航算法进行了研究。捷联导航算法用于无人机姿态、速度、位置等信息的滤波解算，是解决无人机飞行状态准确测量的关键技术之一。本文设计了基于误差四元数的姿态卡尔曼滤波算法；同时考虑在大机动情况下，刚体加速度的影响，采用组合滤波的方法，提高姿态解算的精度，并进行了仿真验证；通过引入GPS的速度和位置量测信息，分别设计了速度、位置卡尔曼滤波器。然后，建立了无人机的飞行动力学模型。基于该模型采用PID控制方法对无人机纵向、横侧向控制回路控制律进行设计；同时对无人机的自主飞行进行研究，给出了直线自主飞行和圆周自主飞行制导参数的计算方法，并设计了相应的控制律；之后进行了仿真，验证了所设计的控制律。最后，展开无人机的试验研究，验证了飞行控制系统硬件与捷联导航算法的可靠性和可行性。关键字:无人机，捷联导航，四元数，卡尔曼滤波器，飞行控制基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计IIAbstractTheremote-controlfixedwingplaneischosenastheresearchplatform,andthelow-costflightcontrolsystemisdesignedbasedontheexistingUAVsystem.Firstly,theschemeofflightcontrolsystemisconducted,andthedetailhardwareisdeveloped.TheUAVhardwaresystemincludeflightcontrolsystemandgroundcontrolstation.TheflightcontrolsystemismadeupofSTM32MCU,sensors,GPSmodule,remotecontrolsignaldecodemodule,servocontrolmodule,RFmoduleandpowersupplymodule.Thegroundcontrolstationismadeupofcomputer,RFmodule,groundcontrolstationsoftwareandcommandbox.Secondly,strapdownnavigationalgorithmisresearched.It'sthekeytechnologytoanUAVsystem.TheerrorquaternionbasedattitudeKalmanfilterisdevelopedinthispaper.Consideringinfluenceofrigidacceleration,thecombinedfilterisdesignedtoimprovetheprecisionofestimation.Thesimulationtestshowsgoodperformanceofthisnavigationalgorithm.ThevelocityandpositionKalmanfilterisdesignedbyusingofGPSsignal.Thirdly,theclassicalPIDcontrolmethodisusedtodesigncontrollaw,andthesimulationtestiscarriedout.Furthermore,theautonomousflightcontrollawisresearched,andcalculationofnavigationparameterisdesignedinbothstraightlineflightpathandcurvelineflightpathstates.Finally,theexperimentiscarriedouttoprovethepracticabilityandreliabilityoftheflightcontrolsystemandnavigationalgorithm.Keywords:UAV,strapdownnavigation,quaternion,kalmanfilter,flightcontrol南京航空航天大学硕士学位论文III目录第一章绪论....................................................................11.1课题研究背景及意义......................................................11.2国内外研究现状......................................................................................................................11.2.1无人机研究...................................................................................................................11.2.2飞行控制系统...............................................................................................................31.3本文研究内容及方法...............................................................................................................5第二章飞行控制系统方案设计...........................................................................................................72.1引言.........................................................................................................................................72.2飞行控制系统设计要求..........................................................................................................72.3飞行控制系统试验平台..........................................................................................................82.4飞行控制系统总体方案设计..................................................................................................82.4.1机载飞控系统...............................................................................................................92.4.2地面测控系统.............................................................................................................102.5飞行控制系统硬件方案........................................................................................................112.5.1嵌入式飞控计算机.....................................................................................................112.5.2传感器数据采集.........................................................................................................122.5.3GPS模块.....................................................................................................................152.5.4遥控解码模块.............................................................................................................162.5.5舵机驱动子系统.........................................................................................................162.5.6数传电台..............................................................................................