基于GPS的无人机自动着陆控制系统设计与实现
西北工业大学
硕士学位论文
基于GPS的无人机自动着陆控制系统设计与实现
姓名：周树春
申请学位级别：硕士
专业：导航、制导与控制
指导教师：王伟
20070301
无人机喷洒农药控制系统设计
无人机喷洒农药控制系统设计 陈爱国 （泰州学院，江苏泰州２２５３００） 摘 要：农药喷洒采用无人机技术能减少环境污染、提高喷洒效率。现对无人机的控制量进行重点设计，使无人机能够精确跟踪无线指令，满足现代农业对农药喷洒的需求。 关键词：多旋翼无人机；农药喷洒；控制系统；设计 ０ 引言 我国是农业大国，其农药喷洒主要由人工完成，这种方式 已经严重威胁到工作人员的身心健康，且对农药的利用率低。无人驾驶飞机ＵＡＶ（ＵｎｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ）是近年来发展比较快、在很多领域都有应用的一种新技术装备，在农业生产中使用多旋翼无人机技术进行农药喷洒作业有独特的优点，比如作业高度低、定点定向喷洒、解放人力、效率高、维修成本低等，特别是旋翼产生的涡流，可以使农药喷雾更好地附着在农作物上，提高农药防治病虫害的效率。 １ 总体设计 无人机结构简单 、维修方便，其控制系统一般采用模块化设计，总体结构如图１所示。 图１ 系统组成框图 多旋翼无人机的结构比较复杂，它需控制６个自由度，需 要利用精度高的传感器和精确的姿态数据。与无人机通讯采用无线方式，主要控制旋翼电机，控制电机的信号一般采用ＰＷＭ波形即可，输出给电子调速器。 ２ 硬件设计 硬件的选择较为关键，在系统设计时需充分考虑微处理器的数据处理精度和浮点运算能力、传感器型号、各类芯片级联电平的匹配等问题。比如微处理器采用ＳＴＭ３２Ｆ４２７ＶＩＴ６，集成加速度和三轴陀螺仪的ＭＰＵ６０００芯片，电子罗盘采用ＨＭＣ５８４３芯片，气压传感器采用ＭＳ５６１１芯片。在无线通讯时，直接采用ＰＰＭ（ＰｕｌｓｅＰｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式对控制系统进行信号的控制，为了更好地控制无人机姿态，还需采用超声波测距模块，用来锁定无人机的高度。 硬件系统结构设计如图２所示，无人机运行时，旋翼电机产生的电流较大，且无人机姿势不断变化，其控制电流随之变化，会产生电磁干扰，造成通讯控制信号出错， 特别是超声波测距模块与控制芯片不能直接级联，需要进行电平转换， 如图３所示。 图２ 硬件系统结构图 图３ 电平转换电路 为了防止旋翼电机在姿态变化时，反向电压通过电子调速 器反馈给微处理器，可能造成电压过大烧毁器件，需要加接隔离电路。同时为了有效控制电机转速，采用高频ＰＷＭ 信号控制电机转速，更需要隔离电路，如图４所示。 图４ 隔离电路 ３ 软件设计 软件程序设计，必须满足无人机喷洒各种控制要求，主要 包含三大部分：第一，需要考虑无人机与遥控器之间的通讯联系，特别是各种姿态控制量发生变化时，无人机能及时响应，若发生通讯异常，一般采用中断程序来判断，执行中断后，无人机能执行既定程序并报警；第二，输入信号捕获，（下转第１１５页）
自写-六旋翼无人机发明实用新型专利撰写范例汇总
说明书摘要 本实用新型公开一种六旋翼飞行系统，包括控制器和飞行器，所述控制器包括微处理器及分别与微处理器电连接的位置锁定装置、航姿测量装置、油门和航向以及高度调节装置，所述飞行器包括处理器、无刷电机及分别与处理器电连接的定高装置和电机调速装置，所述飞行器的无刷电机与电机调速装置电连接，所述控制器和飞行器上设有相互电连接的无线通信装置，所述控制器的无线通信装置与微处理器电连接，所述飞行器的无线通信装置与处理器电连接。本实用新型通过控制器和飞行器的相互配合工作，在一定程度上提高了六旋翼飞行系统的运行效率，为其它更多功能的拓展提供了基础。相比其它的飞行系统，此系统结构更简单，更容易实现，降低了普通用户对飞行器的控制难度。 图1
权利要求书 1.一种六旋翼飞行系统，包括控制器和飞行器，所述控制器包括微处理器及分别与微处理器电连接的位置锁定装置、航姿测量装置、油门和航向以及高度调节装置，所述飞行器包括处理器、无刷电机及分别与处理器电连接的定高装置和电机调速装置，其特征在于，所述控制器和飞行器上设有相互电连接的无线通信装置，所述控制器的无线通信装置与微处理器电连接，所述飞行器的无线通信装置与处理器电连接，所述飞行器的无刷电机与电机调速装置电连接。 2.根据权利要求1所述的一种六旋翼飞行系统，其特征在于，所述位置锁定装置包括陀螺仪、加速度计和全球卫星定位系统（GPS）电路模块。 3.根据权利要求1所述的一种六旋翼飞行系统，其特征在于，所述航姿测量装置包括陀螺仪、加速度计、电子磁场计和温度传感器。 4.根据权利要求1所述的一种六旋翼飞行系统，其特征在于，所述航姿测量装置为三轴加速度陀螺仪传感器。 5.根据权利要求1所述的一种六旋翼飞行系统，其特征在于，所述定高装置包括超声波传感器和气压计传感器。
无人机飞行路线控制系统设计
无人机飞行路线控制系统设计 由于无人机是通过无线遥控的方式完成自动飞行和执行各种任务,具有安全零伤亡、低能耗、重复利用率高、控制方便等优点,因此得到了各个国家、各行各业的高度重视和广泛应用。尤其以美国为代表,无论是在军事、民用、环境保护还是科学研究中,都将无人机的使用发挥到淋漓尽致,其拥有全球最先进的“捕食者”和“全球鹰”战斗无人机、监测鸟类的“大乌鸦”无人机、民用用途的“伊哈纳”无人机等等。我国在无人机研制方面也取得了一定的成就,拥有技术卓越的“翔龙”和“暗箭”高空高速无人侦查机、多用途的“黔中”无人机、探测海洋的“天骄”无人机、中继通讯的“蜜蜂”无人机等等。在未来,随着现代化工业技术、信息技术、自动化技术、航天技术等高新技术的迅速发展,无人机技术将日趋成熟,性能日益完善,为此将拥有更为广阔的应用前景。为确保无人机能够有效地完成各种飞行任务,研发者开发了各种技术方式的飞行控制系统,完成对无人机的起飞、飞行控制、着陆以及相应目标任务等操作的控制。飞行路线控制是飞行控制系统中最基础也是最核心的功能控制部分,其它所有的飞行任务控制都是飞行路线控制的基础之上实现。目前对于无人机飞行路线的控制已有各种各样方式的系统,但大多数系统都存在一定缺陷,如有些系统操作过于繁杂,不够智能化;有些系统只能在视距范围遥 控无人机,严重限制了无人机的使用;有些系统过于专用化,不能适用于大多数类型的无人机;有些比较完善的系统,造价又过于昂贵,等等一系列问题。针对以上存在的这些问题,本课题提出了一种成本低、
遥控距离远、智能化、高效化、适用性广的无人机飞行路线控制系统设计方案。该系统方案包括两大部分,一部分是操作人员所处的地面监控系统,一部分是无人机端的受控系统,实现的机制主要是无人机不断地将自身的定位信息实时地传送给地面控制系统,地面控制系统将无人机位置信息通过电子地图可视化显示给操作人员,操作人员结合本次飞行任务,采用灵活的鼠标绘制方式在地图上绘制预定的飞行路线,地面控制系统对绘制路线进行自动处理生成可用的路线控制信息帧并发送给无人机受控系统,无人机受控系统接收到位置控制信息帧,不断结合实时的方位信息得到飞行控制信息,从而遥控无人机按照预定路线飞行。此外,为方便用户以后对历史数据的查看,以分析总结得到一些有价值的信息,地面监控系统还包含了对预定路线和无人机历史飞行路线的存储、查询和在地图中回放功能。基于GIS技术的地面监控系统的具体实现是在Windows操作系统上,采用Visual Basic作为系统开发环境并结合MSComm串口通信技术、Mapx二次开发组件技术、Winsock网络接口技术以及Access数据库技术完成软件设计,实现与无人机受控系统的无线通信、GIS系统操作和监控、历史数据存储和重现等,其中实验区域的电子地图采用Mapinfo Professional开发软件绘制完成,并创新性地设计并绘制了画面简洁的带高层信息的二点三维矢量地图,而对于绘制路线的优化和提取处理采用了垂距比值法和最小R值法。无人机端使用BDS-2/GPS双卫星系统对无人机实时位置进行高精度的定位,采用双串口单片机进行运算控制处理,实时的飞行控制信息采用了几何空间算法得到,另外采
一种无人机自主着陆视觉跟踪方法
设计与应用 计算机测量与控制.2009.17(7) Com puter Measurement &C ontrol 1387 中华测控网 https://www.360docs.net/doc/3411173291.html, 收稿日期:2008 1216; 修回日期:200901 24。 基金项目:总装预研基金项目(9140A25040307HK0306)。作者简介:邓红德(1957),男,陕西重阳人,副教授,主要从事控制、制导与仿真方向的研究。 文章编号:1671 4598(2009)071387 03 中图分类号:T P13 文献标识码:A 一种无人机自主着陆视觉跟踪方法 邓红德1,王丽君1,金 波2 (1.西北工业大学无人机特种技术国家重点实验室,陕西西安 710065; 2.成都飞机工业公司,四川成都 610092) 摘要:视觉导航是利用图像信息进行飞机定位的,在无人机着陆过程中,为使机载传感器能始终追踪到机场跑道,提出了一种基于摄像机姿态与变焦控制的视觉跟踪方法;该方法通过调节摄像机姿态来追踪目标特征点,使目标特征点尽量位于成像平面的中心,然后根据无人机与机场跑道的距离,适时的调节焦距,以保证图像特征点完全位于图像平面内;实验结果表明,该法能很好地控制摄像机姿态角,使目标特征点位于图像中心附近,达到很好的跟踪效果;且该法操作简单,不需要增加图像处理的难度,实时响应速度快,可以满足工程需要。 关键词:特征点跟踪;变焦控制;视觉导航 UAV Autonomy Landing Visu al Tracking Algorithm Deng H o ng de 1,Wang Lijun 1,Jin Bo 2 (1.N ational L abor ator y of U AV Special T echnolo gy ,N o rthwester n P olytechnic U niv ersity ,Xi an 710065,China; 2.Cheng du A ir craft Industr y Company ,Cheng du 610092,China) Abstract:Vision n avigation uses the image in formation to evaluate the aircraft position,in the process of landing,for airborne sen sor can alw ays follow up to the airport runw ay,presen ts a vis ual tracking algorithm w hich b as ed on camera controlling.T he alg orith m by adju sting th e cam era to track th e target featu re makes the feature points as pos sible in the centre of imaging plan e,and then according to the dis tance from the airport runw ay,tim ely adjus t th e focal length to en sure the image feature poin ts in the image plane com pletely.Experimental resu lts show that the law can con trol the camera angle w ell th at made the target image feature points in the vicin ity.And that the method is simple,don't need to increas e the difficulty of image p roces sing,and the real-tim e res ponse s peed is quick,can meet the project n eed s. Key words :featu re points tracking;zoom control;visu al navigation 0 引言 计算机视觉由于其经济、无源、信息丰富等特性,已经成为无人机自主着陆中不可或缺的重要信息源,通过将视觉信息与惯性导航信息进行融合,可以得到精确的导航信息,如控制模型直升飞机完成自主着陆[1],或是固定翼模型飞机完成自主着舰任务[2]。视觉导航主要是通过对视觉传感器获得的图像进行处理,从而得到无人机导航定位的一种技术,因此,视觉传感器能否很好地追踪目标是无人机完成自主着陆一个必要环节。 1 视觉跟踪方法 基于计算机视觉的无人机自主着陆过程中对图像的处理,无外乎两种情况,一种是提取图像特征点[1];另外一种就是识别图像边缘线或是特征线。但是对大多数视觉算法来说最终还是要归结到点的运算[3],因此图像上的特征点能否始终位于图像平面内,是我们亟待解决的问题。但是只是保证特征点位于图像平面内是远远不够的,例如当特征点比较靠近图像边缘时,如果此时飞机受到小的扰动则就会很容易造成特征点的丢失,使视觉系统失效。因此视觉跟踪方法需要解决的问题就是使特征点都尽量靠近图像成像平面的中央。 1 1 条件假设 无人机在整个视觉着陆过程中,采用基于特征点的运动估计,且特征点通过图像处理算法已经正确获得。在进入着陆段时,会对机载设备进行一次对准,使其基本对准机场跑道,根据获得的特征点利用视觉算法,可以解算出无人机的位置与姿态。1 2 特征点布局 为使摄像机全程都可以跟踪到特征点,特征点的布局方案如图1所示。即在机场跑道的着陆区域以及机场终端区域布置特征点,这样不仅保证了无人机远离机场时能够很好地区分特征点,而且无人机在滑跑时,可以跟踪机场终端设置的特征点,估计其滑行航向。为了更好地完成特征点的追踪,可将特征点布置成一定的形状,突出所要跟踪的特征点,此处采用三角形的特征点布局方法。 图1 特征点布局 1 3 跟踪方法 在整个无人机着陆过程中,摄像机的安装方式采用可变安
六旋翼农用无人机的设计
摘要 本次设计主题为“六旋翼农用无人机模型设计”，结合我国当前农业机械化发展现状，通过对命题的分析得到了更加清晰开阔的设计思路，设计作品具有系统性、实用性和创新性。 针对多旋翼农用无人机，本文确定了“六旋翼农用喷药、航拍功能无人机”的设计说明书，介绍了无人机的设计过程，主要通过概念性论述，经过对无人机结构研究、分析的整体把握，以结构、动力、控制三部分进行设计，并结合实际通过对多旋翼农用无人机设想进行结构改进、设计优化以提高设计的应用性，这种方法对类似产品的设计制造同样具有借鉴作用。 设计方案包括无人机整体机架、喷药机构等，并给出了CAD设计图、整体装配图PRO/E等内容，确保无人机结构简单、适用灵活、便于普及、成本低廉等。 关键词：六旋翼农用无人机模型;CAD;PRO/E
Abstract The design theme for the "six rotor UAV model design of agricultural", combining the current situation of agriculture mechanization development, through the analysis of the proposition of the design ideas more clearly open, design work is systematic, practical and innovative. For multi rotor agricultural UAV, the "design specification of six rotor agricultural spraying, aerial functional UAV", introduces the design process of UAV, mainly through the concept of exposition, according to the study, no machine structure analysis in whole, to structure, power, control three parts design, combined with the the actual rotor UAV based on agricultural ideas for optimization design of structure improvement, so as to improve the application of design, this method also has a good effect on the design and manufacture of similar products. Design includes the UAV the whole machine, spraying device, and gives the design drawings, the overall assembly drawing etc., ensure that the UAV has the advantages of simple structure, flexible application, convenient, low cost etc... Keywords: six rotor UAV model design of agricultural;CAD;PRO/E
无人机控制系统核心硬件
2.1 ARM-Cortex M4架构 ARM-Cortex M4 架构： 无人机控制系统可以采用基于ARM系统架构的嵌入式处理器来实现，本次 重点基于ARM-Cortex M4架构的无人机飞控系统。 ARM是32位嵌入式微处理器的行业领先提供商，到目前为止，已推出各 种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。 基于ARMv7架构以上的Cortex系列主要分为A（应用处理器）、R（实时 处理器）、M（微控制器）三大应用系列。其中Cortex-M系列处理器主要是针 对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将逻辑门数和功耗控制在最低。Cortex-M处理器是一系列可向上兼容 的高能效、易于使用的处理器，这些处理器旨在帮助开发人员满足将来的嵌入 式应用的需要。这些需要包括以更低的成本提供更多功能、不断增加连接、改 善代码重用和提高能效 ARM-Cortex 的特点： 更低的功耗：以更低的 MHz 或更短的活动时段运行，基于架构的睡眠模式支持，比 8/16 位设备的工作方式更智能、睡眠时间更长 更小的代码（更低的硅成本）：高密度指令集，比 8/16 位设备每字节完 成更多操作，更小的 RAM、ROM 或闪存要求 易于使用：多个供应商之间的全球标准，代码兼容性，统一的工具和操作 系统支持 更有竞争力的产品：Powerful Cortex-M processor，每MHz 提供更高的
?Cortex-M4是一个32位处理器内核 ?内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32 位的 ?采用哈佛架构 ?小端模式和大端模式都是支持的 ?Thumb指令集与32位性能相结合的高密度代码 ?针对成本敏感的设备Cortex-M4处理器实现紧耦合的系统组件，降低处理器的面积，减少开发成本 ?ROM系统更新的代码重载的能力 ?该处理器可提供卓越的电源效率 ?饱和算法进行信号处理 ?硬件除法和快速数字信号处理为导向的乘法累加 ?集成超低功耗的睡眠模式和一个可选的深度睡眠模式 ?快速执行代码会使用较慢的处理器时钟，或者增加睡眠模式的时间?为平台的安全性和稳固性，集成了MPU（存储器保护单元） ?Cortex-M4内部还附赠了好多调试组件，用于在硬件水平上支持调试操作，如指令断点，数据观察点等 ?有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖 2.1.3 基于ARM Cortex-M4 内核的微控制器 ARM Cortex-M4内核是微控制器的中央处理单元（CPU），配合外围设备模块和组件，形成完整的基于Cortex-M4的微控制器。在芯片制造商得到Cortex-M4处理器内核的使用授权后，它们可以将Cortex-M4内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O以及其它功能块。不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。由于基于统一的内核架构，事实上本书后面所介绍的飞控软件和算法虽然已ST的 STM32F407为基础，它们是很容易移植到其他公司的同内核平台芯片上的，很多与外设无关的代码部分不需要任何改变即可移到其他平台上，仅需要关注外围设备相关部分的驱动代码。 ?飞思卡尔（现并入恩智浦）基于ARM Cortex M4内核的Kinetis K60微控制器系列。Kinetis微控制器组合产品由多个基于ARM@CortexTM_M4内核且引脚、外设和软件均兼容的微控制器系列产品组成。 ?ST基于ARM Cortex-M4内核的STM32 F4微控制器系列，具有高达 168MHz的主频，以及在此主频工作下的基准测试功耗为38.6mA
推荐-六旋翼无人机系统 精品
六旋翼无人机系统技术文件 一、产品名称：六旋翼无人机系统 二、X-6是全新研制的六旋翼无人机系统，具有载重能力较强、续航时间理想、 与X-8无人机相比，体积更小、重量较轻、目标特性小，使用更加快捷、机动灵活、操作使用及维修简便等特点，自成体系独立执行电力巡检任务，稳定度与性能相对x-8无人机稍有逊色。 简介： X-6 无人机是由专业无人机技术研发团队经过多年研究、测试，最新推出的一款全球同类产品载重量最大、可垂直起降、拥有多项专利的无人飞行系统。 1）选用自主驾驶设备，大大提高飞控稳定性。 2）可携带多种任务载荷。 3）可用于执行资料收集、测量、检测、侦查等多种空中任务，在电力巡检领域能发挥其高效、隐蔽性强的特点，能对目标物进行远距离监视。 产品特点： （1）飞行器具有遥控、自主飞行能力，可以实时修改飞行航路和任务设置；（2）测控与信息传输设备具有遥控、实时信息传输的功能，具有多机、多站兼容工作及一定的抗截获、抗干扰能力； （3）侦察任务设备能昼夜实时获取目标图像信息，具有手动、自动控制工作模
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解密无人机设计如何实现图传
解密无人机设计：如何实现图传？ 如果说中国无人机制造商大疆创新的巨大估值和营收说明了什么，那就是无人机正日益变成一桩大生意。无人机现在已经引来众多资本竞相追逐，除此之外，各大半导体公司也都加快速度布局这一千亿级的市场，开发适合无人机应用的创新产品和技术。某知名无人机产品硬件供应商之一，世强的技术专家将在这一系列文章中独家阐述先进的无人机产品内部的硬件电路设计和相关方案技术。 当我们把目前主流的无人机的内部电路板拆解开来后，您会发现无人机的电路控制系统主要由三大部分组成：飞控系统、云台+相机、图像传输系统。而我们的这一无人机电路系统系列的三篇文章也将分别对应这三个部分。 图1.FPV无人机的内部电路系统结构图 无人机能够一跃进入大众视野并迅速升温，是很多人始料未及的。从刚开始的空中摄录，到后来的实时摄录，方便的图像传输功能无疑为无人机加足了筹码，赚足了眼球。在第一篇文章中，作者将为您分析无人机的图传实现技术。 2.4GHz全高清无人机图传系统是主流 在无人机的视频传输方面，高配的图传系统已经可实现5km/1080P30fps传输，但这是众多国内娱乐无人机厂商还没有做到的。一般的做法是在云台搭载相机，高空拍摄再飞回地面检查。这种方式由于不能即时看到拍摄画面，所以还不能满足航拍的要求。 “当然目前也有不少方案是采用5.8GHz频段传输模拟视频到地面，最远距离能达600多米。但这种方式需要在飞行器上将高清(1080P或4K)转码成720P，再转成数字信号传输到遥控器显示屏上，技术上也较复杂，并且画面会有马赛克、停顿或卡死。画面质量也不够好，用到专业航拍还有距离，适合普通爱好者娱乐。”世强产品总监阳忠介绍说。 2.4GHz是目前无人机市场比较主流采用的频段。在大疆最新发布的Phantom3上，就搭载了备受好评的DJI Lightbridg全高清数字图像传输系统，其内置了2.4G遥控链路，其高配方案实测有效传输距离高达5km，标配也达到了1.7Km。“图像传输系统的性能是区分无人机档次的一个关键因素。图像传输距离的远近，图像传输质量的好坏，图像传输的稳定性等是衡量无人机图传性能的关键因素。”阳忠说。 简而言之，无人机图像传输系统就是将天空中处于飞行状态的无人机所拍摄的画面实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设备。图像传输的实时性、稳定性是关键。如下图4所示为目前主流的无人机遥控器/高清图传线路框图。其组成部分主要由发射端、接收端和显示端三部分组成。
多旋翼无人机飞行控制系统设计研究
www?ele169?com | 27实验研究 0 引言 多旋翼无人机是集合多项现代高新科技的成果，无人机 行业的蓬勃发展是中国崛起、中国航空产业崛起的重要体现，多旋翼无人机具有系统安全性好、可靠性高、负载能力强等特点，具有非常广阔的应用前景。多旋翼无人机的作业方式相比于传统的人工作业方式，大大提高了作业效率、降低作业成本与风险。在无线通信技术与图像处理技术快速发 展的背景下，多旋翼无人机逐渐向智能化的方向发展，另外， 独特的机械结构使多旋翼无人机更加灵活。随着无人机在人们生活中的进一步普及，无人机故障的影响也会越来越大，在大多数故障中，主要是控制器故障后果最为严重，所以飞行控制器的结构健康管理始终受到人们高度重视。1 多旋翼无人机任务需求分析 多旋翼无人机飞行控制系统主要服务于公安消防、公共 安全、勘察搜救等领域，对无人机的飞行安全、可靠性等要求较高，针对多旋翼无人机所应用的特殊场合，其飞行控制 系统需要具备以下性能指标：首先要具备机载飞控系统与地面站两部分，由机载飞控 系统来进行控制律的运算，通过电机控制指令对地面站发送的信息进行接收。地面站会显示无人机当前的飞行状态以及 主控件的基本性能。其次要具有良好的传感器以及多种飞行模式，传感器主要对无人机飞行姿态、高度、位置等信息进行采集，通过机载计算机对相应数据进行处理，多旋翼无人机存在多种飞行模式，需要根据实际情况选择最佳飞行模 式。最后，多旋翼无人机飞行控制系统要具有多种读取遥控 信号的方式，实现多种多旋翼无人机的飞行控制。还要具有在线调整及保存相关的控制参数功能、在异常情况下应急处理功能等。根据多旋翼无人机飞控系统的要求指标，提出了飞控系统具体的设计要求： ■1.1 飞行控制处理器 飞行控制处理器需要对传感数据进行收集并处理，对控 制律进行运算，保持与地面站之间通信畅通。飞行控制处理器只有缩短调节电机转速的指令周期，才能更好的发挥控制性能。由于飞行控制处理器面临的任务众多，所以要求飞控处理器处理速度快、计算能力强。飞控处理器必须快速对传感器数据进行读取，第一时间与无线通信设备进行连接，实现与地面站之间的通信，另外飞控处理器必须具备存储空间大、低功耗、体积小等特点。 ■1.2 传感器传感器需要选择精度较高的传感器以及通信距离较远的无线通信设备，满足飞控系统的性能指标，确保传感器使用简单、通信接口通用。 ■1.3 软件开发多旋翼无人机的飞控软件系统要有很强的可靠性与稳定性，具备通信链路异常状况下的紧急处理，具备相应的备份程序，避免无人机在飞行过程中发生故障，另外地面站要具备故障报警功能。飞行控制系统的采样频率不易过小以免出现控制输出调节量滞后造成严重后果。2 多旋翼无人机飞行控制系统总体架构设计多旋翼无人机飞行控制系统总体架构由机载部分与地面站部分组成，机载部分主要由飞控处理模块、传感器模块、电源模块、执行机构构成。地面部分与机载部分之间的信息交互 主要通过无线通信模块来完成。飞控系统总体架构如图1所示。图1 飞控系统总体架构 ■2.1 飞控系统硬件平台设计当前的飞行控制系统控制芯片多采用ARM、DSP 等高 速处理器，单处理器的使用会抑制控制系统的进一步拓展，多旋翼无人机飞行控制系统设计研究张建学 （中国民航飞行学院计算机学院，四川广汉，618307）摘要：多旋翼无人机具有优良的操作性能、维护简单、成本较低等特点，已经成为微小型无人机的主流，获得了广大的消费群体。飞控系统作为无人机的核心技术，始终是无人机学术与工程领域研究的热点。本文以多旋翼无人机为研究对象，根据多旋翼无人机的结构特点，对飞行控制系统进行设计与研究，从硬件原理与软件原理对多旋翼无人机飞行控制系统的构建过程进行详细介绍。关键词：多旋翼；无人机；飞控系统
无人机设计手册及主要技术
无人机设计手册及主要技术 内容简介 独家《无人机设计手册》分上、下两册共十二章。 上册包括无人机系统总体设计，气动、强度、结构设计，动力装置，发射与回收系统，飞行控制与管理系统。 下册包括机载电气系统，指挥控制与任务规划，测控与信息传输，有人机改装无人机，综合保障设计，可靠性、维修性、安全性和环境适应性以及无人机飞行试验等。有关无人机任务设备、卫星中继通信的设计以及正在发展的无人机技术等内容，有待手册再版时编入，使无人机设计手册不断成熟和丰富。 适用人群 本手册是国内第一部较全面系统阐述无人机设计技术的工具书，不仅可作为无人机的设计参考，也可以作为院校无人机教学、无人机行业的工程技术人员和管理人员的参考书，并可供无人机部队试验人员使用。希望本手册的出版能对我国无人机研制工作的技术支持有所裨益。 作者简介 祝小平，现任西北工业大学无人机所总工程师，主要从事无人机总体设计、飞行控制与制导系统设计等研究工作。主持了工程型号、国防预研等国家重点项目多项，获国家和部级科学技术奖9项，其中国家科技进步一等奖1项，国防科技进步一等奖4项，获技术发明专利10项，荣立“国防科技工业武器装备型号研制”个人一等功，发表论著150多篇。先后入选国家级“新世纪百千万人才工程”、国防科技工业“511人才工程”和教育部“新世纪优秀人才支持计划”，获得“国防科技工业百名优秀博士、硕士”、“国防科技工业有突出贡献的中青年专家”、“陕西省有突出贡献专家”和“科学中国人(2009)年度人物”等荣誉称号。 无人机相关GJB标准-融融网 gjb 8265-2014 无人机机载电子测量设备通用规范 gjb 4108-2000 军用小型无人机系统部队试验规程 gjb 5190-2004 无人机载有源雷达假目标通用规范 gjb 7201-2011 舰载无人机雷达对抗载荷自动测试设备通用规范 gjb 5433-2005 无人机系统通用要求 gjb 2347-1995 无人机通用规范 gjb 6724-2009 通信干扰无人机通用规范 gjb 6703-2009 无人机测控系统通用要求无人机发射系统通用要求gjb 2018-1994
基于STM32的微型四旋翼无人机控制系统设计—软件设计
毕业设计(论文)开题报告
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业电气工程及其自动化 级 名 号 师
2017 年 3 月 9 日
1. 毕业设计（论文）综述（题目背景、国内外相关研究情况及研究意义） 1.1 题目背景 微型无人机飞行器（MUAV，Mirco Unmanned Aerial Vehicle）是一种内置 控制系统，可以远程操控实现自主飞行的设备。其类型包括固定翼微型飞行器、 仿生扑翼微型飞行器及旋翼式微型飞行器。由于它具有隐蔽性强，低成本、低损 耗、零伤亡、高机动性等优点，使其迅速从军事领域拓宽到农业、民用和科研等 领域。在军事领域，因为具有零伤亡，战场生存能力强等特点，非常适合执行高 危险和人类无法参与的任务。在民用上，他也可以代替载人机完成一些任务，比 如救援搜索，灾情勘探，气象监测等。 MUAV 飞行性能主要包括，起飞着陆性能，姿态变换性能。而这些性能的优劣 取决于核心部件--飞行控制系统。随着数字处理器处理速度和能力的不断提高， 设计先进的控制系统已经是大势所趋。先进的飞行控制系统使微型无人机能在没 有外界干预的情况下自主飞行，完成预先规定的任务。由于微型无人机身有限的 负载能力和体积限制， 现在的一些导航系统和飞行控制系统很难直接在微型无人 机上使用，所以对微型无人机的飞行控制系统的研究意义重大！ 1.2 国内外相关研究情况 国外对于四旋翼的研究非常的活跃，加拿大的雷克海德大学里面的相关研究 人员很早就证明了采用四旋翼设计思路能够实现飞行器的稳定飞行，澳大利亚的 卧龙岗大学相关研究人员已经对四旋翼有了精确的模型建立。各国研究人员也 以此引发了一个四旋翼的研究热潮。下面对部分研究机构所设计的四旋翼做一个 介绍 1）Microdrones MD4-1000 四旋翼无人飞行
MD4-1000 四旋翼无人机是由德国 MICRODRONES 公司生产， 可垂直起降自动驾 驶。机体云台都是采用特殊的碳纤维材料，机身重量轻、强度高，机臂可折叠， 方便运输。姿态、高度以及航向参考系统集成了加速度计、陀螺仪、电子罗盘、 气压高度计、温度计、湿度计等高精度传感器，相比 MD4-200，它的任务载荷大， 抗风能力强，续航时间更长，姿态控制更加稳定。
多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/3411173291.html, 多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究作者：明志舒黄鹏刘志强李乐蒙高凯 来源：《科技资讯》2017年第29期 摘要：随着社会的进步和国民经济的发展，现代高新科技的发展得到了前所未有的推 进，为各行业的进步和发展提供了良好的保障。近些年来出现的多旋翼无人机，是一种集合多项现代高新科技的成果，具有定点悬停功能，能够实现在现代军事、工业、农业等各个领域的应用。本文就四旋翼无人机为例，探讨了多旋翼无人机飞行控制系统的设计以及实现。 关键词：多旋翼无人机飞行控制系统设计与实现研究无人机飞行控制系统 中图分类号：V249 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）10（b）-0057-02 1 飞行控制系统的硬件设计 本文设计的飞行控制系统在硬件方面主要分为控制器、传感器、电源、执行机构和遥控接收等模块，具体论述如下。 1.1 控制器 我们利用美国德州仪器公司所研发的TMS320F28335当作控制器当中的主芯片，可以说它是当下功能最为强大的一种芯片，具备对信号加以处理的功能，而且还有嵌入式控制以及针对事件加以管理的功能。该芯片的外部接口基本原则为：将飞控系统作为基础而定。该芯片不管是在引脚数目上，还是在引脚功能方面都非常贴合飞控系统的全部要求，所以说只要针对芯片的接口加以少量地拓展就可以了。其主要的特征为：（1）利用到了哈弗总线结构。（2）其代码安全模块利用到了128位密码对Flash加以保护，保证相关寄存器在数据方面的安全。（3）TMS320F28335的应用，实现了对开发时间大幅度的节约，这主要是其利用到了目前应用比较广泛的C/C++语言。（4）1K×16 OTP ROM以及8K×16形式的Boot ROM，供给出了两个用于采样的电力，继而实现了对两个通道上信号实施的同步采集，所以有着非常高效的处理能力以及运算的精度，确保了信号所具备的时效性以及高速性。 1.2 传感器 1.2.1 陀螺仪 陀螺仪能够对检测指示器中的数据加以显示，是自动控制系统当中的一个非常重要的组成。应用的陀螺仪是MPU6050三轴形式的陀螺仪，具有16位的模拟、数字转换器，使输出模拟量实现向可输出数字量的转化。 1.2.2 加速度传感器
无人机各模块详解与技术分析
无人机各模块详解与技术分析 如今无人机成为了展会最大的热点之一，大疆（DJI）、Parrot、3D Robotics、AirDog 等知名无人机公司都有展示他们的最新产品。甚至是英特尔、高通的展位上展出了通信功能强大、能够自动避开障碍物的飞行器。无人机在2015年已经迅速地成为现象级的热门产品，甚至我们之前都没有来得及细细研究它。与固定翼无人机相比，多轴飞行器的飞行更加稳定，能在空中悬停。主机的硬件结构及标准的遥控器的结构图如下图。 四轴飞行器系统解析图
遥控器系统解析图 以上只是标准产品的解剖图，有些更加高级的如针对航模发烧友和航拍用户们的无人机系统，还会要求有云台、摄像头、视频传输系统以及视频接收等更多模块。飞控的大脑：微控制器 在四轴飞行器的飞控主板上，需要用到的芯片并不多。目前的玩具级飞行器还只是简单地在空中飞行或停留，只要能够接收到遥控器发送过来的指令，控制四个马达带动桨翼，基本上就可以实现飞行或悬停的功能。意法半导体高级市场工程师介绍，无人机/多轴飞行器主要部件包括飞行控制以及遥控器两部分。其中飞行控制包括电调/马达控制、飞机姿态控制以及云台控制等。目前主流的电调控制方式主要分成BLDC方波控制以及FOC正弦波控制。 新唐的MCU负责人表示：多轴飞行器由遥控，飞控，动力系统，航拍等不同模块构成，根据不同等级产品的需求，会采用到不同CPU内核。例如小四轴的飞行主控，因功能单纯，体积小，必须同时整合遥控接收，飞行控制及动力驱动功能；中高阶多轴飞行器则采用内建DSP 及浮点运算单元的，负责飞行主控功能，驱动无刷电机的电调（ESC）板则采用MINI5(＄1.0889)系列设计。低阶遥控器使用SOP20 封装的4T 8051 N79E814；中高阶遥控器则采用Cortex-M0 M051系列。另外，内建ARM9及H.264视频边译码器的N329系列SOC则应用于2.4G 及5.8G的航拍系统。 在飞控主板上，目前控制和处理用得最多的还是MCU而不是CPU。由于对于飞行控制方面主要都是浮点运算，简单的ARM Cortex-M4内核32位MCU都可以很
机械毕业设计1085六旋翼农用无人机设计说明书
本科毕业设计题目：六旋翼农用无人机设计 学院：工学院 姓名： 学号： 专业： 年级： 指导教师： 二零一四年五月
摘要 本次设计主题为“六旋翼农用无人机模型设计”，结合我国当前农业机械化发展现状，通过对命题的分析得到了更加清晰开阔的设计思路，设计作品具有系统性、实用性和创新性。 针对多旋翼农用无人机，本文确定了“六旋翼农用喷药、航拍功能无人机”的设计说明书，介绍了无人机的设计过程，主要通过概念性论述，经过对无人机结构研究、分析的整体把握，以结构、动力、控制三部分进行设计，并结合实际通过对多旋翼农用无人机设想进行结构改进、设计优化以提高设计的应用性，这种方法对类似产品的设计制造同样具有借鉴作用。 设计方案包括无人机整体机架、喷药机构等，并给出了CAD设计图、整体装配图PRO/E等内容，确保无人机结构简单、适用灵活、便于普及、成本低廉等。 关键词：六旋翼农用无人机模型;CAD;PRO/E
Abstract The design theme for the "six rotor UAV model design of agricultural", combining the current situation of agriculture mechanization development, through the analysis of the proposition of the design ideas more clearly open, design work is systematic, practical and innovative. For multi rotor agricultural UAV, the "design specification of six rotor agricultural spraying, aerial functional UAV", introduces the design process of UAV, mainly through the concept of exposition, according to the study, no machine structure analysis in whole, to structure, power, control three parts design, combined with the the actual rotor UAV based on agricultural ideas for optimization design of structure improvement, so as to improve the application of design, this method also has a good effect on the design and manufacture of similar products. Design includes the UAV the whole machine, spraying device, and gives the design drawings, the overall assembly drawing etc., ensure that the UAV has the advantages of simple structure, flexible application, convenient, low cost etc... Keywords: six rotor UAV model design of agricultural;CAD;PRO/E
无人机中嵌入式系统方案设计
无人机嵌入式系统设计 —嵌入式系统原理与设计报告 班级： 姓名： 学号：
一、无人机功能需求分析 1）无人机是一种由动力驱动、机上无人驾驶、可重复使用的航空器的简称，可以简单地分为军用和民用两大类，在这两个领域可以说非常火热。 2）在军事领域，无人机的最大优势体现在能够）执行3D 任务（即，Dull（枯燥乏味）、Dirty（恶劣环境）、Dangerous（危险）），这些任务可以细分为空中侦察、目标搜索及定位、炮兵校射、激光照射、战场观察和毁伤评估、通讯中继、大范围搜救、电子战、对地攻击、导弹拦截、战场物资补给及运送、空中格斗等。 3）在民用领域，无人机价格相对低廉，应用领域包括航拍、植保、地质勘探、高压输电线路巡检、油气管路巡查、高速公路事故管理、森林防火巡查、污染环境勘察、反恐维稳、公安执法、应急救援与救护、抢险救灾、海岸线巡查等。 二、无人机组成原理 无人机可主要有固定翼无人机、无人直升机和多旋翼无人机三大平台，其它小种类无人机平台还包括伞翼无人机、扑翼无人机和无人飞船，这里主要分析下微小型四旋翼无人机。 1）由于微型无人机飞行姿态多变，为了增大无人直升机的带载能力，该无人机采用了四旋翼的机械结构，通过机载导航系统控制使其各旋翼之间协调运动，实现四旋翼无人机的飞行姿态自动调整，可按要求完成垂直起落控制、空中悬停控制、偏航控制、滚转控制、俯仰控制等多种动作及任务。四旋翼无人机在各种结构特征参数确定的情况下，通过改变旋翼转速来改变拉力。 四旋翼飞行器结构简图及受力分析
2）四翼无人机系统需要微型螺旋仪、加速速传感器、大气压传感器、电机转子转速测量单元和GPS接收单元。机载控制部分主要由控制系统核心模块、惯性测量单元模块IMU（Inertial Measurement Unit）、压力传感器模块、无线部分（无线控制信号接收模块、无线数据传输模块、全球定位系统模块、无线视频传输模块）、电机控制部分（电机驱动控制模块、电机转子转速测量模块）以及红外距离传感器模块等组成。 三、无人机嵌入式计算机系统总体方案 飞控系统由飞控计算机及其外围传感电路、执行机构组成，因此飞控计算机的主要功能包括：提供稳定的电源供电系统、对各类模拟信号进行采样预处理、处理各种开关量以控制相应外围设备、进行控制律计算以控制和稳定无人机、操纵发动机的工作状态以决定飞行模态、实现飞行航路的预设置等。 系统总体设计框图 四、无人机嵌入式计算机系统硬件方案设计 系统采用Atmel公司的工业级ARM9处理芯片AT91RM9200为核心，工作频率可高达200 MIPS，其外围电源电路、复位电路、晶振电路保证系统正常工作，外扩32 MB 的SDRAM作为内存，32 MB的闪存用作程序和数据存储空间，A／D电路完成对模拟信号的采样，D／A电路完成对数字量的转换，8路串口通信电路工作方式在RS232、RS422、RS485之间可设置，32路离散I／0口可设置输入输出，另外留有调试用的DBUG口。