基于ARM的嵌入式SUAV飞控系统设计与实现

论文摘要

本课题源于空中机器人大赛参赛项目。针对比赛要求,提出了一种基于ARM的低成本、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案,并由此展开了一系列的研究工作。本文的重点是飞行控制系统的姿态确定系统设计和飞行控制系统的硬件设计及实现。本文首先回顾了国内外微小无人机发展历程,介绍了其研究现状,并指出了微小无人机的发展趋势。根据需求设计了低价位、高性能的嵌入式微小无人机飞行控制系统的整体方案。设计了低成本、低功耗的微小无人机的姿态确定系统方案,利用姿态四元数、龙格库塔法、高斯牛顿法和扩展卡尔曼滤波器估计出系统的姿态矩阵;对姿态确定方案进行了仿真。设计了基于ARM的飞行控制系统的硬件部分,包括电源及复位电路,UART、SPI、JTAG等接口电路,PWM信号发生电路,A/D采样电路及前置电路,光电耦合电路等;完成了整个飞控系统PCB板制作以及对所设计电路的调试工作,使得系统运转正常。最后针对本文设计的硬件平台进行了启动代码等系统底层软件的编写和调试,建立了系统的启动环境。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 微小无人机的研究现状
• 1.3 微小无人机的发展趋势
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 飞控系统整体方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 微小无人机飞控系统举例
• 2.3 基本需求和指标
• 2.4 飞控系统整体方案
• 2.4.1 控制器的简介
• 2.4.2 传感器的方案
• 2.4.3 执行机构
• 2.4.4 无线数据链路
• 2.4.5 电源
• 2.5 小结
• 第三章 姿态确定系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 四元数和姿态矩阵
• 3.2.1 四元数更新
• 3.2.2 加速度计和磁力计计算测量四元数
• 3.2.3 卡尔曼滤波器
• 3.3 姿态确定系统的仿真
• 3.4 小结
• 第四章 飞控系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 ARM2440 平台应用设计
• 4.2.1 存储空间的分配
• 4.2.2 ARM 存储器模式
• 4.2.3 电源及复位电路
• 4.2.4 UART 设计
• 4.2.5 SPI 口设计
• 4.2.6 JTAG 接口设计
• 4.3 传感器应用
• 4.3.1 磁力计
• 4.3.2 GPS
• 4.3.3 ADXRS150 陀螺
• 4.3.4 ADXL202 加速度计
• 4.4 前置电路
• 4.5 A/D 转换电路
• 4.5.1 分辨率
• 4.5.2 精度
• 4.5.3 转换时间（速率）
• 4.5.4 输入通道数
• 4.5.5 数字接口方式
• 4.6 光耦隔离电路设计
• 4.7 印制电路板设计
• 4.7.1 接地
• 4.7.2 配置退耦电容
• 4.7.3 层叠设计原则
• 4.7.4 过孔设计
• 4.8 小结
• 第五章 硬件调试及底层软件的编写
• 5.1 硬件调试
• 5.1.1 CodeWarrior 集成开发环境简介
• 5.1.2 ADS 调试软件
• 5.2 BOOTLOADER 设计
• 5.2.1 Bootloader 简介
• 5.2.2 Bootloader 的功能
• 5.2.3 Bootloader 的结构
• 5.3 中断设置
• 5.4 串口初始化
• 5.5 PWM 信号的产生
• 5.6 SPI 程序设计
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 本文进一步需要研究的内容
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文
• 附录