基于STM32的小型無人機飛行控制系統設計.pdf

近些年來，小型無人機因結構簡單、費效比高、維護方便、起降靈活、機動性能好等特點而被廣泛應用，該領域的研究一直呈現高漲勢頭。而無人機的“大腦”是飛行控制系統，負責執行飛行過程中的導航、控制、通信等任務。隨著微處理器和微傳感器工藝和架構的不斷發展進步，芯片的數據處理能力和采集精度也大大提高。這使開發數字式、高性能、低功耗、可擴展的小型無人機飛控成為可能。
　　近年來隨著耕地面積的減少，急需要新技術與新設備提升土地的利用效率實現增產增收。小型無人機在農業領域上可以改變傳統的作業模式，實現精準農業提高作業效率。在農業上無人機廣泛應用于農田灌溉、農藥噴灑、農情監測、病蟲害監測、作物養分分析、作物長勢監測等方面，可以幫助農業生產人員及時、準確地獲取作物生長信息，可為減災降災和應急指揮提供科學依據，現已取得了較為理想的應用效果，具有廣闊的應用前景。這些新技術的應用都需要精度高、穩定性好、功耗低的無人機飛控平臺的支持。本文基于新型STM32F4系列為核心設計了小型無人機飛控系統的總體方案，圍繞硬件、軟件以及仿真測試進行方案設計。
　　飛行控制系統是一個復雜的多狀態量、多控制量的非線性動態耦合系統。飛控不僅需要采集傳感器數據、解算姿態和位置信息、發送和接收操作指令，同時也要保證系統的實時性，精確性以及穩定性。本文針對飛控系統的小型化、數字式、低功耗等問題展開研究。完成飛控系統的總體設計方案、芯片選型與硬件電路設計、軟件設計與編碼以及六自由度模型仿真，最后在完成以上工作的基礎上開展搭載實驗。
　　本文根據工程實際需求提出方案設計，在硬件設計上采用低成本、數字式、低功耗的傳感器降低開發成本。使用數字式的陀螺儀、加速度計以及磁強計作為姿態測量傳感器;高精度GPS模塊確定位置信息;采用數傳電臺以及PWM數字舵機負責無人機指令信息的發送和執行;軟件設計上，采用軟件工程思想對無人機展開任務劃分，其中包含系統與參數初始化、數據采集、導航解算、控制律與控制回路設計、通信系統設計。其次通過對無人機的受力分析，建立無人機線運動方程和角運動方程?？刂粕喜捎媒浀銹ID算法，展開橫向控制回路、縱向控制回路的控制律設計。最后，針對建立的無人機六自由度模型展開無人機仿真實驗，驗證無人機的導航解算以及控制律和控制回路的合理性和準確性，在此基礎上展開無人機搭載實驗，為導航和控制回路以及仿真實驗提供數據支撐。同時檢驗了系統的硬件與軟件設計以及導航律控制律的準確性和可行性。