基于stm32飞控的无人机系统设计-开题报告

拟选题目 基于stm32的无人机系统设计

选题依据及研究意义

   无人机是一种由动力驱动、无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。在军事上，因为具有零伤亡、战场生存能力强等特点，非常适合执行高危险或人类无法参与的任务；在民用上，它也完全可以代替有人机完成一些任务，如救援搜索、灾情监测、气象探测等。微小型无人机具有隐蔽性强、机动灵活、制造成本低等特点,但由于微小型无人机本身有限的负载能力和体积限制，现有的一些导航和飞行控制系统很难直接在微小型无人机上使用，所以对微小型无人机的嵌入式飞行控制系统进行研究工程意义重大。

  随着微机械传感技术、全球卫星导航技术、自动控制技术、通信技术的不断发展，无人机已经逐渐进入实用阶段。在军事上无人机已经从单纯的空中侦察到现在的空中监控、导弹攻击、火力制导、通信中继、边界巡逻、甚至战斗任务中都发挥了重要的作用，取得了良好的军事效益，各个国家都给予了相当程度的关注。 

  在民用和警用领域，无人机同样发挥着重要的作用。无人机在航空摄影、地理测绘、遥测遥感、大气监测、环境保护、资源勘探、通信中继、电力巡线、农药喷洒等领域也完全可以替代有人机，具有光明的应用前景。 

  目前，无人机飞行控制系统仍属于国际前沿技术，因为其军事运用价值显著，有必要自主创新，研制具有自主知识产权的无人机飞行控制系统。 

文献综述（对已有相关代表性研究成果的综合介绍与评价）

本文所采用的系统是在单片机的控制下，无人机自主飞行，自主巡航，自主完成任务。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解决方案。[1]

    在整个飞行控制整方案中，对硬件系统进行详细设计。整个系统分为两个部分：无人飞控系统和地面测控系统。其中前者以身体stm32微控为核心，连接电源，GPS,姿态解析，舵机驱动，电机驱动，收发机等模块。后者包括计算机，收发机，及相应的软件程序等。[1]

  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。[1]

  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。[2] 

  除了硬件之外,优化的导航算法和适宜的控制算法也是飞行控制系统是否能够取得成功的关键。实际飞行试验结果表明,这种通过误差四元数微分方程建立卡尔曼滤波状态方程,实现滤波补偿姿态误差的方法,在动态环境下仍能得到较为准确的姿态。[4]

   姿态估计算法的基本原理为:首先利用三轴陀螺仪完成捷联姿态解算,得到姿态四元数QI;再利用加速度计和磁强计估计姿态,得到姿态四元数QS;之后进行卡尔曼滤波,对误差四元数QIe进行预测;最后即可实现多传感器的信息融合,得到相对真实的姿态四元数Q,解算出姿态角。[4]

  近年来许多研究人员所采用的是一体的综合框架方法。中央范式是一种基于不同的设计的工具和技术可以配制，部署和应用模型的开发环境。在基于模型的飞行控制发展的不同过程（示于图1）是紧密耦合，如果每个处理解决作为一个单独的问题，开发过程可能受到严重阻碍，。因此飞行控制发展，必须着手在同时的动态建模，控制的背景和模型分析，仿真，控制设计，实时执行，软件和硬件闭环的仿真和飞行测试。[3]

  采用stm32微控制器,嵌入uc/os-II操作系统的无人机飞行控制系统,将复杂的处理任务交操作系统进行调度，使cpu的利用率得以提高，开发人员可以将复杂的程序模块化并且程序更容易设计与维护。[5]

   通过借鉴国内外无人机的结构设计完成了某小型无人机的导航／飞控系统的硬件结构设计。为满足无人机结构紧凑、接口灵活等要求，系统采用模块化设计，包括导航、飞行控制、信息解码、故障诊断四个硬件模块。各模块分别完成导航功能计算、连接无线电数据下传；采集和传输飞行状态信息、飞行状态管理、飞控检测；采集导航星定位数据、解码无线电数据、完成机载任务的控制与执行；手动遥控操作及故障诊断处理等功能。为了满足通信任务的实时性要求，系统通讯采用多路串行(RS422、CAN和SPI总线)和并行(基于IDT70V27双口RAM)方式。本系统实现了AD信号采集、遥测数据链通信、设备控制、舵机控制等电路设计。现场调试结果满足要求。 文中为对所设计的硬件系统进行调试，完成了DSP底层软件的编写，主要包括SCI串行通信、外扩串口、ADS8364采集、A／D采集、双口RAM、外扩RAM、PWM、CAN总线、I／O口等。针对系统的可靠性提出了基于故障树的故障诊断方法，讨论了基于CAN总线的系统阶段性故障诊断方法，并将BIT思想分别运用于上电自检、飞前自检、飞行状态监测和离线维护，方便了系统使用、维护。 研究了无人机的飞行控制技术，设计实现了相应的半物理仿真系统，对控制系统进行了系统的地面半物理仿真研究，将半物理仿真试验结果与全数字仿真结果进行对比，验证了控制系统各项功能的正确性。文中通过左盘横纵向各参数半物理仿真与全数字仿真对比验证了硬件系统可行性和可靠性。[6]

   无人机是一个国家综合科技实力的象征，它具备了价格低廉、安全系数高、使用灵活等诸多优点，在军事和民用领域中发挥着不可替代的作用。自主飞行控制系统是无人机的核心部分，也是衡量无人机优劣的重要指标。随着先进科技的发展，飞控系统正朝着功耗低、体积小和性能高的方向发展。现代无人机的发展对飞控系统微型化和处理速度的要求越来越高，选择高性能DSP处理器作为飞控系统核心的研究也越来越多。课题在无人机飞控系统理论研究的基础上，针对小型无人机，提出了一套完整的基于DSP的飞控系统设计方案，详细介绍了系统的硬件结构和基本功能，包括飞控计算机、传感器模块、GPS和舵机等，并在硬件平台的基础上进行相应的软件设计，实现了飞控系统的功能。同时为了使飞控系统具有良好的控制特性，满足高适应性、高灵活性和高精度的系统要求，设计了一种参数自适应的模糊PID控制器，并对控制器的设计原理、结构及控制规则等进行了详细描述。仿真结果表明，所设计的模糊PID控制器比常规PID控制器的控制性能更好，其超调小、响应快、精度高，而且自适应能力强，能够满足无人机自主飞行的要求。研究表明，该设计方案具有很好的实用性和一定的通用性，为今后的无人机飞行控制系统的开发奠定了基础。[9]

   无人直升机飞行控制技术，已经成为众多国家的军方及大学等研究机构的研究热点。本文在分析借鉴了国内外研究情况基础上，对小型无人直升机进行了分析，介绍了小型无人直升机飞行原理及特点，建立了其数学模型，利用流体仿真软件分析了机身表面压力分布。利用MATLAB模糊控制工具箱，对模糊自适应PID控制率应用于小型无人直升机的俯仰控制进行了仿真与研究。分模块对飞控硬件系统进行了设计，包括电源模块、气压高度计模块、姿态传感模块、卫星定位模块和数据存储器模块等，并对模块进行了制作与测试。在进行流场模拟运算方面，在CATIA中画好模型，采用ANSYS ICEM CFD软件对模型进行了网格划分，生成了小型无人直升机机身的非结构体网格。[10]

研究内容（包括基本思路、框架、主要研究方式、方法等）

基本思路：

  1.查阅相关文献资料，了解基于无人机自主飞行原理。

  2.阅读相关参考文献，分析并设计无人机的总体结构。

  3.设计适用于小型无人机的硬件结构及相关的传感器。

  4.设计由stm32作为主控芯片的软件部分。

  5.进行硬件安装，测试等。

基本框架

  一、基于stm32控制系统的整体结构（如图1所示）

  二、基于固定翼航模平台的硬件和软件的设计

  三、地面计算机软件及硬件设计

主要研究方法：

  一、单个调试传感器，编写相应的程序，程序无误后，将所有传感器挂接飞控主芯片stm32,整合程序。

  二、调试固定翼航模，搭建一个航模，用风扇模拟风洞，测试，调整飞机结构

  三、将整个连接了各个传感器的飞控系统安置到飞机上，试飞，寻找错误，优化调整。

  四、编写地面系统的程序，调试飞机与地面的通信，优化系统，最终成型。

图1.stm32控制系统的整体结构

主要参阅文献

[1]胡庆..基于stm32单片机的无人机得性控制系统设计.南京：南京航天航空大学,2012

[2]勾青远. 基于TMS320F2812的小型无人机控制.郑州大学,2013 

[3]Qiu, Jing,  Wang, Chao,  Liu, Guan-jun,  Zhang, Yong,  Li, Tian-mei.Testability demonstration for a flight control system based on sequential probability ratio test method.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 2015, Vol.229 (3)

[4]胡庆.宋彦国.基于stm32的无人直升机导航系统设计.南京航天航空大学,2010

[5]董峰,常佶.基于stm32微控制器的小型无人机飞行控制系统.内蒙古工业大学电力学院

[6]周传祥.基于DSP的导航/飞控嵌入式系统设计.西北工业大学,2007

[7]都基焱, 张振.小型无人机飞行控制系统硬件设计.解放军陆军军官学院无人机系

[8] 杜大程,刘莉.小型无人机自动驾驶仪设计与实现.北京理工大学宇航学院

[9]刘艳.基于DSP的无人机飞控系统的研究.重庆大学

[10] 叶文辉.小型无人直升机分析及飞控系统研究.叶文辉

[11]雍斌.基于MEMS的小型无人机飞控系统研究.南京理工大学

[12] 李慎霞.小型无人机飞行控制系统重构设计.浙江大学

[13] 孟娜娜.高速无人机滑翔轨道导航与控制系统设计.大连理工大学

[14]Renuganth Varatharajoo,  Ramly Ajir,  Tamizi Ahmad.Hybrid spacecraft attitude control system.The International Journal of Multiphysics, 2009, Vol.1 (2)