无人机自动驾驶仪设计及控制方法研究

论文摘要

无人机是一种由动力驱动、无人驾驶、可重复使用航空器的简称。由于其低廉的成本、重量轻、体积小、适应性强和灵活机动的特点,在军事和国民经济的各个领域得到了越来越广泛的应用,受到了全世界各个国家的高度重视。自动驾驶仪作为无人机飞行控制系统的核心,将是无人机研究中的关键所在。本文在分析无人机自动驾驶仪飞行控制原理和系统构成的基础上,设计并实现了一种基于ARM处理器的无人机自动驾驶仪飞行控制器。在项目整个系统构成下,对飞行参数采集所需传感器模块进行了选型;根据采集模块的需求和系统的任务要求,分别完成了惯性测量单元模块、AD信号采集模块、压力传感器模块、UART以及SPI串行信号通讯模块、PWM波形产生模块、JTAG调试模块等设计,进行了各传感器模块的应用测试;设计了无人机遥控和自主飞行模式之间的转换控制方式,提高了飞行安全性,最终得到了飞行控制系统硬件的整体设计,并完成了印刷电路板制作工作;其后,在ADS1.2环境下开发了ARM底层接口的基本驱动和初始化程序,进行了飞行控制系统数据采集与舵机控制的基本功能运行实验。最后详述了自动驾驶仪的控制算法,通过对无人机的建模,计算出相应的参数,通过对各种PID算法的研究,确定了智能PID算法作为控制方法。实验结果表明,所实现系统能够完成对各传感器模块数据的实时采集和对舵机的任意角度快速控制,从而为今后进一步深入研究无人机飞行控制奠定了硬件基础。总之,本课题在详细的理论基础上设计了自动驾驶仪的硬件软件以及控制方法,在最后的实验中叶得到了正确的结果,基本上达到了设计的预想,具有很好的实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题简述
• 1.2 无人机的国内外研究现状
• 1.3 本课题的研究意义以及主要完成的工作
• 第2章 自动驾驶仪的原理与构成
• 2.1 自动驾驶仪的原理与组成
• 2.1.1 自动驾驶仪的主要功能
• 2.1.2 自动驾驶仪的分类
• 2.1.3 自动驾驶仪的基本原理
• 2.2 自动驾驶仪的主要构成
• 2.2.1 控制器
• 2.2.2 惯性测量组合（IMU）
• 2.2.3 高度传感器
• 2.2.4 GPS 接收机
• 2.2.5 舵机
• 2.2.6 无刷直流电机
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于ARM的自动驾驶仪的硬件设计
• 3.1 自动驾驶仪飞行控制系统的总体构成
• 3.2 ARM 微处理器控制模块的设计
• 3.2.1 ARM 处理器核简介
• 3.2.2 ARM 的芯片选择
• 3.2.3 供电系统
• 3.2.4 时钟系统
• 3.2.5 复位系统
• 3.3 惯性测量单元（IMU）模块的设计
• 3.3.1 陀螺仪姿态信号采样电路
• 3.3.2 加速度计姿态信号采样电路
• 3.4 姿态信号采集转换模块的设计
• 3.4.1 陀螺采样信号选择电路
• 3.4.2 AD 采样电路
• 3.5 压力传感器模块的设计
• 3.5.1 压力传感器芯片的选择
• 3.5.2 压力传感器的工作原理
• 3.5.3 高度信号采集电路的设计
• 3.6 GPS 接收机模块的设计
• 3.7 PWM 模块的设计
• 3.8 JTAG 调试模块的设计
• 3.9 遥控接收器模块的设计
• 3.9.1 无线接收器
• 3.9.2 遥控器
• 3.10 电路板设计制作要点
• 3.10.1 电源质量与分配
• 3.10.2 信号线的分布
• 3.10.3 抗干扰的设计
• 3.11 本章小结
• 第4章 软件调试程序设计
• 4.1 控制软件任务流程
• 4.2 AD 采集
• 4.3 PWM 波形产生
• 4.4 SPI 通信
• 4.5 本章小结
• 第5章 PID控制方法设计思路
• 5.1 常规PID 控制
• 5.2 常规PlD 控制器参数整定方法
• 5.2.1 临界比例度法
• 5.2.2 衰减曲线法
• 5.3 非线性智能PID 控制的设计思想
• 5.3.1 专家式智能PID 控制
• 5.3.2 智能PID 自学习控制系统
• 5.3.3 神经网络PID 控制
• 5.3.4 模糊PID 控制
• 5.3.5 本文所研究的智能PID 的特点
• 5.4 无人机智能PlD 控制算法设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 实验与调试
• 6.1 电源及CPU 工作测试
• 6.2 A/D 采集电路测试
• 6.3 PWM 转换电路测试
• 6.4 PWM 控制信号输出测试
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢