无人机飞控系统与实时航迹规划研究

论文摘要

目前，研发、生产和装备无人机成为了世界各国共同发展趋势。飞控系统作为无人机的重要组成部分，主要完成飞行控制和飞行管理，其性能的好坏直接影响无人机飞行品质和安全。飞控系统主要分为3个部分，飞控计算机、传感器、执行机构。本文在分析飞控系统结构、工作原理的基础上构建飞控系统硬件平台。硬件平台核心处理器采用的TI公司的TMS320F2812，并与FLASH、SRAM存储器和电源电路一起组成飞控计算机子系统，此外为了方便调试，增加液晶显示部分；传感器子系统包括捷联惯导模块、GPS和高度计。本文分析了各传感器的电路并完成驱动程序的设计及其调试；执行机构为舵机，执行机构方面主要分析了舵机的原理并完成舵机的驱动。为了实现无人机与地面的通讯，飞控系统增加了无线收发模块。收发模块由单片机STC12LE5A60S2控制，无线收发芯片采用的是Silicon Labs公司的Si4432。该模块除了实现通讯功能，同时还可以独立产生PWM波控制舵机。当DSP出现故障或者放弃控制时，可通过无线收发模块遥控无人机。捷联惯导模块采用ADI公司的单轴角速率陀螺ADIS16080和三轴加速计ADXL345组合而成。由于捷联惯导传感器测得的数据为加速度值和角加速度值，而无人机需要得到的为无人机姿态、速度和位置数据。因此需要对其进行解算。本文分析和研究了四元素解算算法。航迹规划通常作为任务规划的子系统，是无人机系统的一部分。由于缺乏有人驾驶，无人机在面对瞬息变化的战场往往不能做出及时决策，而实时航迹规划可以在一定程度上弥补这一缺陷。本文就无人机航迹规划进行了研究，主要完成航迹规划的建模和规划算法的实现。规划算法主要包括遗传算法、概率地图方法、分层策略方法，文中分析了各算法原理和对应的程序设计，并在MATLAB中仿真实现。最后系统采用分层策略的方法实现了在线航迹规划中的航迹再规划。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 相关技术国内外发展及研究现状
• 1.2.1 无人机飞控技术国内外发展及研究现状
• 1.2.2 航迹规划技术国内外发展及研究现状
• 1.3 主要研究内容及结构安排
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 论文结构安排
• 第2章 飞控系统的硬件设计
• 2.1 飞控系统总体设计
• 2.1.1 飞行控制系统原理
• 2.1.2 飞控系统主要功能
• 2.1.3 飞控系统组成
• 2.2 DSP系统设计
• 2.2.1 DSP芯片介绍
• 2.2.2 电源电路
• 2.2.3 外扩存储器
• 2.2.4 液晶显示屏
• 2.3 捷联惯导模块
• 2.3.1 三轴加速度计
• 2.3.2 角速率陀螺
• 2.3.3 捷联惯导的组合电路
• 2.4 GPS
• 2.4.1 GPS接收机介绍
• 2.4.2 GPS与系统平台的通信电路
• 2.5 气压高度计的设计
• 2.5.1 硬件组成框图
• 2.5.2 MS5534B与MCU的电路设计
• 2.5.3 串行接口通信电路
• 2.5.4 电源电路设计
• 2.6 无线收发模块
• 2.6.1 单片机模块
• 2.6.2 无线收发模块
• 2.6.3 单片机接口电路
• 第3章 飞控系统的软件设计
• 3.1 飞控系统软件总体设计
• 3.2 捷联惯导模块驱动程序
• 3.2.1 ADXL345 驱动程序
• 3.2.2 ADIS16080 驱动程序
• 3.3 GPS程序
• 3.3.1 GPS信息格式
• 3.3.2 GPS检测程序
• 3.3.3 GPS解析数据
• 3.4 液晶显示程序
• 3.5 PWM波驱动电机
• 3.6 无线收发模块
• 第4章 捷联惯性导航系统
• 4.1 捷联惯性导航原理
• 4.2 捷联惯性常用坐标系
• 4.3 捷联惯性导航算法
• 4.3.1 四元素法转动理论
• 4.3.2 四元素更新
• 4.3.3 速度、位置计算
• 4.3.4 姿态计算
• 4.3.5 初值计算
• 4.4 捷联惯导算法实现
• 4.5 结果及结果分析
• 第5章 无人机实时航迹规划
• 5.1 无人机航迹规划理论知识
• 5.1.1 数字地图
• 5.1.2 航迹规划约束条件
• 5.1.3 战场威胁
• 5.1.4 航迹评价
• 5.2 遗传算法
• 5.2.1 航迹编码
• 5.2.2 适应度函数
• 5.2.3 遗传操作算子设计
• 5.2.4 仿真结果及结果分析
• 5.3 概率地图算法
• 5.3.1 概率地图算法概念
• 5.3.2 概率地图的构建
• 5.3.3 PRM算法实现
• 5.3.4 仿真结果及结果分析
• 5.4 分层策略的实时航迹规划
• 5.4.1 分层策略航迹规划
• 5.4.2 航迹走廊及初始航迹
• 5.4.3 航迹再规划
• 5.4.4 结果分析
• 5.5 航迹算法比较
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文情况
• 致谢
• 附录