基于ARM的空中机器人飞行控制系统
《2024年基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计》范文
《基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计》篇一一、引言随着科技的发展，无人机在各个领域中的应用越来越广泛。
为了提高无人机的性能、安全性和可靠性，设计一套有效的飞行控制系统至关重要。
本文旨在介绍基于STM32单片机的无人机飞行控制系统的设计原理与实现过程。
二、系统设计概述本无人机飞行控制系统采用STM32系列单片机作为核心控制器，通过对无人机飞行状态的实时检测和控制，实现对无人机的精确控制。
系统包括传感器模块、电机驱动模块、通信模块等部分。
传感器模块用于获取无人机的飞行状态信息，电机驱动模块根据控制器的指令驱动无人机飞行，通信模块实现与地面站的双向通信。
三、硬件设计1. STM32单片机STM32系列单片机具有高性能、低功耗等优点，是本系统的核心控制器。
通过编程实现对无人机的控制，包括姿态控制、导航控制等。
2. 传感器模块传感器模块包括陀螺仪、加速度计、磁力计等，用于获取无人机的飞行状态信息。
这些传感器将数据传输给STM32单片机，为飞行控制提供依据。
3. 电机驱动模块电机驱动模块采用舵机控制方式，通过PWM信号控制电机的转速和方向，实现无人机的精确控制。
该模块采用H桥电路实现电机正反转，配合单片机输出的PWM信号，实现对电机的精确控制。
4. 通信模块通信模块采用无线通信方式，实现与地面站的双向通信。
通过无线数传模块将无人机的飞行状态信息传输给地面站，同时接收地面站的指令，实现对无人机的远程控制。
四、软件设计软件设计包括控制系统算法和程序编写两部分。
控制系统算法采用先进的姿态控制算法和导航算法，实现对无人机的精确控制。
程序编写采用C语言，实现对单片机的编程和控制。
在程序设计中，需要考虑到系统的实时性、稳定性和可靠性等因素。
五、系统实现系统实现包括硬件组装、程序烧录和调试等步骤。
首先将各模块组装在一起，然后通过编程器将程序烧录到STM32单片机中。
在调试过程中，需要对系统的各项性能进行测试和优化，确保系统的稳定性和可靠性。
毕业论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计
2016 南阳理工学院本科生毕业设计论文学院系电子与电气工程学院专业电子信息工程学生指导教师完成日期南阳理工学院本科生毕业设计论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous control system for the quadrotor unmannedaerial vehicle based on ARM processors总计毕业设计论文25 页表格0 个插图20 幅3 南阳理工学院本科毕业设计论文基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计Autonomous controlsystem for the quadrotor unmanned aerial vehicle based on ARM processors学院系电子与电气工程学院专业电子信息工程学生姓名学号指导教师职称评阅教师完成日期南阳理工学院Nanyang Institute of Technology4基于ARM的四旋翼自主飞行控制系统设计[摘要]针对改变传统以单片机为处理器的四旋翼自主控制飞行器控制方式的问题设计了一种基于嵌入式ARM的飞行控制系统的设计和实现方案。
这是一种基于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。
详细介绍了控制系统的总体构成以及硬软件设计方案包括传感器模块、视屏采集模块、系统核心控制功能模块、无线通信模块、地面控制和数据处理模块。
实验结果表明该设计结合嵌入式实时操作系统保证了系统的高可靠性和高实时性能满足飞行器起飞、悬停、降落等飞行模态的控制要求。
[关键词]ARM四旋翼自主飞行器控制系统。
Autonomous control system for the quadrotor unmannedaerial vehicle based on ARM processors Abstract In order to change the conventional control of four—rotor unmanned aerial vehicles using microcontroller as the processor a solution of flightcontrol system based on embedded ARM was presented which is low-cost,small volume, low power consumption and high performance. The purpose ofthe work is for attending the National Aerial Robotics Competition. The mainfunction of the system the hardware structure and the software design werediscussed in detail including the sensor module the motor module the wirelesscommunication module With embedded real time operating system to ensurethe system’s high reliability and real-time performance the experiments resultsshow that the requirements of flight mode are satisfied including taking ofhovering and landing and so onKey words ARM four-rotor unmanned aerial vehicles control system5 of the control signals 1 四旋翼飞行器的简介 1.1题目综述微型飞行器MicroAir Vehicle/MAV的概念最早是在上世纪九十年代由美国国防部远景研究局DARPA提出的。
基于ARM的无人机飞行仿真系统的设计
摘
要 ：无人机飞行仿真系统可以针对无人机的飞行状态进行有效的仿真分析 ，对于无人机的
操控和学习具有重要的意义。以 Ｓ Ｍ ２ １３嵌入 式芯片为核心处理器，并采用模块化的设计思 Ｔ ３ Ｆ０ 路 ，开发 出一种基 于 Ａ Ｍ 的无人机 飞行仿 真 系统。详 细介 绍 了无 人机 飞行 仿真 系统 总体 设计 方 Ｒ 案 以及 系统 的硬 件设 计和软 件设计 原则和 流程 ，同时 ，较 为 详尽 地 阐述 了各模 块 的功 能和 作 用 ，
ｓｍｕ ａｉｎ ｓ ｓ ｍ． ＡＩ ，ｔ ｅ ｐ ｉ ｃｐ ｅ ｎ ｅａ ｌｄ ｐ ｏ ｅ ｓ ｄ ｓｇ ｆ ｔ ｅ ｈ ｒ ｗａｅ ａ ｄ ｓ ｆ ａ ｅ ａ ｅ ｉ ｌｔ ｙ ｔ ｏ ｅ ｓ ｏ ｈ ｒ ｉｌ ｓ ａ ｄ ｄ ｔｉ ｒ ｃ ｓ ｅ ｉｎ ｏ ａｄ ｒ ｎ ｏ ｔ ｒ ｒ ｎ ｅ ｈ ｗ ｐ ｏ ｏ ｅ ．Ｍｅ ｎ ｈ ｌ ，ｔ ｅ ｓ ｓ ｍ ｄ ｐ ｓ ｍｏ ｕ ａ ｅ ｉ ｔ ｏ ｓ ｒｐ ｓｄ ａ ｗ ｉ ｈ ｙｔ ａ ａ ｔ ｅ ｅ ｄ ｌｒ ｄ ｓ ｍｅ ｄ ．Ｂｅ ａ ｓ ｆｔ ｅ ｗｅｌｆ ｎ ｔ ｎ ｆｔ ｅ ｎ ｇ ｈ ｃ ｕ ｅｏ ｌ ｕ ｃ ｏ ｓｏ ｈ ｉ ｈ
２ １ 年第２ ０２ 期
文章编号 ：０ ９ ２ ５ （０ ２ ０ ０ ６ ０ １０ — ５２ ２ １ ）２— １３— ３ 中图分类号 ：Ｐ ９ ． Ｔ ３ １９ 文献标识码 ： Ａ
基 于 Ａ Ｍ 的无 人机 飞行 仿真 系统 的设 计 Ｒ
刘 凯 ，路 平 ，甄云卉２ ，朱安石
（．军械 －程学院光学与 电子 －程系 ，石家庄 ０００ ； ．河北省军 区通信站 ， １ ｖ ｖ ５０３ ２ 石家庄 ０００ ） ５０３
较 好地 完成 了系统 的设 计方 案 。
基于ARM微控制器无人机导航控制系统软件设计
关．【 ｌ无人机 ；导航 ；＾ － 词 ＲＭ；ｕ Ｏ －Ｉ Ｃ／ Ｓ Ｉ
中圈 分类号： Ｐ９． Ｔ ３１ 文献标识码： 文章壕号：１ ７ ９９ ２１ ） ３０９－２ ８ Ａ ０ －５９（０１ １－ １３０ ０
ＡＲＭ — ｓ ｄ Ｍ ｉｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ Ｂａ ｅ ｃ ｏ ｏ ｔ ｏ ｌ ｅ
ｃｎ ｏ ｗ ａ ｏｉ ｍｉ ＣＯ － Ｔ Ｓｔ ｄｓ ｎＵ Ｖ ｎｖｇｔ ｎｃｎ ｏ ｅｐｒ ｎ ｈｗ ｔａ ｃｍｐ ａｃ ｉ ｅｆｇｔ ｏｔ ｌａ ｌ ｒｈ ， ｕ ／ ＳＩ Ｒ Ｏ ｅｉ Ａ ａｉａｏ ｏｔ ｌｘ ｅｍｅｔ ｓｏ ｔ ｏ ｌ ｅｗｔ ｔ ｉ ｒ ｌ ｇ ｔ ｎ Ｉ ｏ ｇ ｉ ｒ ， ｉ ｓ ｈ ｉ ｎ ｈ ｈ ｌｈ
摘 要：导航控制 系统是无人机实现 自主飞行的控制核 心，在采用 Ａ ． 微控制器，角速率陀螺 ，加速度计、Ｇ Ｓ ＲＭ Ｐ、 气 高 压 度传感器、差压传感器等硬件基础上 ，结合导 航控制律算法，在 ｕ ／ Ｓ Ｉ嵌入式实时 Ｃ Ｏ －Ｉ 操作 系 统下设计 实 现无人机 导航控制 ，实验表明其符合飞控 系统的高精度、小型化、数字化发展趋势，具有研究价值和广泛的应用前景。
《2024年基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计》范文
《基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计》篇一一、引言随着科技的不断进步，无人机已成为众多领域的重要工具，其应用领域从军事侦察、地质勘测，到农业植保、物流配送等不断拓展。
为了确保无人机的稳定飞行和精确控制，一个高效且可靠的飞行控制系统显得尤为重要。
本文将详细介绍基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计，包括硬件设计、软件设计以及系统测试等方面。
二、硬件设计1. 主控制器选择本系统选用STM32系列单片机作为主控制器，其具有高性能、低功耗、丰富的外设接口等优点，适用于无人机飞行控制系统的需求。
2. 传感器模块传感器模块包括陀螺仪、加速度计、磁力计等，用于获取无人机的姿态、速度、位置等信息。
这些传感器通过I2C或SPI接口与主控制器连接，实现数据的实时传输。
3. 电机驱动模块电机驱动模块负责控制无人机的四个电机，实现无人机的起飞、降落、前进、后退、左转、右转等动作。
本系统采用H桥电路实现电机驱动，通过PWM信号控制电机的转速和方向。
4. 电源模块电源模块为整个系统提供稳定的电源供应。
考虑到无人机的体积和重量限制，本系统采用锂电池供电，并通过DC-DC转换器将电压稳定在合适的范围。
三、软件设计1. 操作系统与开发环境本系统采用嵌入式操作系统，如Nucleo-F4系列开发板搭配Keil uVision或HAL库进行软件开发。
这些工具具有强大的功能，可以满足无人机的复杂控制需求。
2. 飞行控制算法飞行控制算法是无人机飞行控制系统的核心。
本系统采用四元数法或欧拉角法进行姿态解算，通过PID控制算法实现无人机的稳定飞行。
同时，结合传感器数据融合算法，提高系统的鲁棒性和精度。
3. 通信模块通信模块负责无人机与地面站的通信，包括遥控信号的接收和飞行数据的发送。
本系统采用无线通信技术，如Wi-Fi或4G/5G模块，实现与地面站的实时数据传输。
四、系统测试为了确保无人机飞行控制系统的稳定性和可靠性，需要进行一系列的系统测试。
基于ARM单片机四旋翼飞行器控制器设计
本科毕业论文（设计）基于ARM 单片机的四旋翼飞行器 控制器设计系 （部）专 业学 号学生姓名指导教师提交日期中工 信商概要近几年，微小型的四旋翼无人机已逐渐成为无人机领域的研究热点。
由于其灵活性，机体结构简单，维修方便等优点，并且可以在空中悬停，垂直起飞和着陆。
所以它在军事和民用领域巨大的应用潜力，在架构设计和飞行控制国内外许多研究机构的研究也致力于四个旋翼无人机飞行控制系统，以实现四个旋翼无人机自主飞行]10[。
四旋翼无人机飞行控制系统的重要组成部分是其机载的传感器系统，由于它为机载控制系统提供了可靠的飞行状态信息，因此是实现四旋翼无人机自主飞行的重要设备之一。
本论文设计了一种基于ARM处理器作为主控制器的四旋翼飞行器，由MTi.G惯性导航一体机，高精度声纳传感器和无线遥控器为主的机载传感器系统。
该系统已经完成了航班状态信息的采集和处理，与空气中的控制器，实现了四旋翼飞行器空中自主悬停控制。
使用现有的机载控制器硬件平台的ARM嵌入式控制器的功能是构建一个功能完善，和机载传感器系统（微型姿态航向参考系统和声纳传感器）的采集和处理测量的数据，对采集到的数据以及遥控数据进行一定的PID算法的计算]2[，进而控制四个无刷直流电机的转动，实现可四旋翼飞行器的稳定飞行。
关键字：四旋翼无人机声纳传感器无刷直流电机Four rotor aircraft design based on ARM single chipmicrocomputerABSTRACTIn recent years，quadrotor helicopter has become a hotspot of the research about unmanned aerial vehicle(UA V)．It has high maneuverability，easy maintance，simple configuration, and the ability of agile hovering，vertical taking off and landing(VTOL)．Because of their huge potential application values for civil and military utilization，researches on the architecture of flight control system(FCS)are conducted by many universities and companies to achieve autonomous flight control of quadrotors．Onboard sensor system is a very important component of flight control system because it will supply reliable flight informations of quadrotor for the flight controller.In this paper，a self assembled quadrotor helicopter is used as the airframe for the flight control system design．An attitude measuring method based on ARM processor is proposed, which gives out attitude informations of medium and low accuracy. The data acquisition and processing about the flight information of quadrotor is accomplished．The qutonomous hovering control of quadrotor cooperating with flight control system onboard is achieved．A complete platform of flight control system onboard is estibalished by there—development of ARM embedded controller to make it possible for the scource code to be run on the ARM embedded controller．Onboard data accquiration and processing are implemented．Then PID algorithm for computing some of the collected data, and then control four brushless DC motor rotation, achieve stable flight four rotary wing aircraft.Keywords:Quadrotor ARM AHRS Sonar Four brushless DC motor rotation目录1 绪论 (1)1.1 研究的前景与意义 (1)1.2 国内外的研究现状 (1)2 设计任务 (3)2.1 设计要求 (3)2.2 使用说明 (3)3 四轴飞行器样机结构与硬件选择 (4)3.1 样机结构与系统结构 (4)3.2 硬件设计与选型 (6)3.2.1 核心板 (6)3.2.2 陀螺仪 (6)3.2.2 超声波模块 (7)3.2.3 电源模块 (8)3.2.4 电机模块 (9)3.2.5 无线通信与显示 (10)4 程序设计与调试 (12)4.1 飞行器姿态导航的数据的采集 (13)4.2 声呐传感器数据的采集 (14)4.3 电机的控制 (15)4.5 调试 (16)结论 (18)参考文献 (19)致谢 (20)附录 (20)1 绪论1.1 研究的前景与意义四旋翼无人飞行器拥有很多优点和广阔的应用前景。
基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计
基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计无人机作为一种具备广泛应用前景的航空设备，已经成为现代社会中重要的技术体系。
其广泛的应用领域包括军事侦察、农业植保、物流运输、灾害勘测等。
然而，无人机的飞行控制系统是实现其稳定飞行和完成任务的关键所在。
本文将介绍使用STM32单片机开发的无人机飞行控制系统设计。
首先，我们需要明确无人机飞行控制系统的基本构成。
无人机的飞行控制系统主要包括飞控主板、传感器模块、电机驱动模块和通信模块。
其中，飞控主板是无人机飞行控制系统的核心，它负责接收传感器采集的数据、处理算法逻辑并输出控制信号。
传感器模块用于采集无人机周围环境的信息，如加速度、角速度和磁场等数据。
电机驱动模块用于控制无人机的电机转速，实现飞行控制。
通信模块用于与地面控制站或其他无人机进行数据通信和指令传输。
在无人机飞行控制系统设计中，我们选择STM32单片机作为飞控主板的核心处理器。
STM32单片机具备性能强大、低功耗和丰富的外设资源等特点，非常适合用于实现复杂的飞行控制任务。
在传感器模块的选择上，我们需要考虑无人机飞行过程中所需的各种数据信息。
常用的传感器包括加速度计、陀螺仪、磁力计和气压计等。
在本设计中，我们选择了高精度的MEMS传感器，通过I2C或SPI接口与STM32单片机进行通信，实时采集并传输数据。
为了控制无人机的电机转速，我们需要使用电机驱动模块。
通常情况下，每个电机对应一个电机驱动模块。
在本设计中，我们选择了高性能的无刷电机驱动器。
这种驱动器具备高效率、高负载承载能力和稳定性好的特点，能够满足无人机的飞行控制需求。
与地面控制站或其他无人机进行数据通信和指令传输是无人机飞行控制系统的重要功能之一。
为了实现无线通信，我们选择了常用的无线模块，如蓝牙、Wi-Fi或者射频模块。
这些模块可以与STM32单片机进行串口通信，实现与地面控制站的数据交换和指令传输。
除了硬件设计之外，软件设计也是无人机飞行控制系统的关键部分。
基于ARM的机器人套件控制系统设计
基于ARM的机器人套件控制系统设计学院自动化学院专业测控技术与仪器班级04070101学号2010040701021姓名王翰章指导教师卢艳军负责教师卢艳军沈阳航空航天大学2014年6月沈阳航空航天大学毕业设计（论文）摘要智能遥控避障循迹小车是基于ARM的创新实验教学平台所开发出的一款产品，既可以作为家庭智能清洁机器人，也可以在工厂仓库中作为沿固定线路运货的货运机器人。
采用先进的嵌入式系统开发，成为服务机器人里一个新的研究领域，具有很强的市场价值。
本设计的智能小车采用基于ARM7架构的LPC2138微处理器，设计开发了智能小车的控制系统，通过对超声波测距原理、红外线NEC协议、PWM舵机调速原理和LPC2138内部寄存器知识的掌握和合理配置，使小车集红外线遥控、超声波避障、红外对射管循迹三种功能于一体。
利用逻辑分析仪对小车三种功能的时序进行采集，根据采集到的时序设计程序，实现了利用红外遥控器对这三种方式的手动切换。
关键词：红外遥控；ARM7；超声波避障；红外对射管循迹基于ARM的机器人套件控制系统设计Title of Paper (in English)AbstractIntelligent Remote obstacle avoidance tracking car is based on ARM innovative experimental teaching platform. either as a family intelligent cleaning robot can also be used as cargo freight robot along a fixed line in warehouse, using advanced embedded systems technology, which become a new research field in service robots, with strong market value. The design of the intelligent car use LPC2138 ARM7 microprocessor architecture, through the principle of ultrasonic distance measurement, infrared NEC protocol, the principle of PWM and the reasonable configuration of LPC2138 internal registers, which also set three functions in one. I use a logic analyzer for collecting the sequence of time, according to the timing of the acquisition to achieve the use of infrared manual remote switching of these three founctions.Keywords：Infrared remote control；ARM7；Ultrasonic obstacle avoidance；Infrared ray tube tracking沈阳航空航天大学毕业设计（论文）目录1 绪论 (1)1.1 课题背景及研究的意义 (1)1.2 课题的研究现状 (1)1.3研究内容和论文的结构安排 (2)2传感器工作原理 (3)2.1主控芯片简介 (3)2.2光电传感器的工作原理 (3)2.3超声波测距的原理 (4)2.4红外通信基本原理 (5)2.5 NEC协议 (5)2.6舵机工作原理 (5)3 总体方案设计 (7)3.1超声波自动避障小车 (7)3.2手动遥控小车 (8)3.3自动循迹小车 (9)3.4利用红外遥控器实现对三种方式的手动切换 (10)4 软件功能设计 (11)4.1高低电平持续时间的捕获模型：按键持续时间采集 (11)4.2 红外编码值捕获程序 (13)4.3 超声波测距捕获程序 (16)4.4 舵机驱动程序 (17)4.5 三种方式切换程序 (18)5.系统调试分析 (20)5.1系统设计中的注意事项 (20)5.1.1外部因素 (20)5.1.2内部因素 (20)5.2硬软件总体调试 (20)基于ARM的机器人套件控制系统设计5.1.1硬件 (21)5.1.2软件 (21)参考文献 (22)致谢 (23)附录Ⅰ智能遥控循迹避障小车程序清单 (24)沈阳航空航天大学毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题背景及研究的意义基于ARM7的机器人套件教学实验平台是一个专为学生提供的教学实验平台，鼓励学生亲自动手操作，按照自己的想法来设计硬件结构和软件编程，通过对机器人结构的不断设计、组装和对程序的不断修改、调试来使学生具有广阔的发挥余地并激发出学习热情和创造能力，能够广泛适用于机械、机电一体化、电气工程、自动化工程等方向的就业需求。
基于ARM的飞控逻辑转换装置测试系统研究
《 计量与灏试技￣） ｏ８年 第 ３ ： ｏ ２ ５卷第 ９， ０ ／
基 于 ＡＲ 的飞控 逻辑 转 换 装 置 测试 系统 研 究 Ｍ
Ｒｅｅ ｒｈｏ ｅｔ ｙｔｍ ｆ ｔｅＬ ｇｃＴ ａ ｓｏｍ Ｄｅｉｅｏ ｓａ ｃ ｆ Ｔ ｓ Ｓ ｓｅ ｏ ｏ ｉ ｒ ｎｆ ｒ ｖｃ ｆ ｈ
一
时钟 ， 使处理器能工作在 ２３ Ｈｚ ， ０ Ｍ 下 轻松运行 Ｌｎ ｘ ｉ 操 ｕ 作 系统及 进行 复 杂 的信息处 理 。这种 高度 集成化 的设 计 方便 了系统的硬件设计 ， 同时也提高了系统的稳定性和 可靠 性 。
３ 系统 结构 组成
个 Ｃ ８０ Ａ １Ｍ 以太 网控 制 器 完成 ＴＣ ／Ｐ协 议 的 Ｓ ９ ０ ０ ＰＩ
的Ｒ ＴＣ和具 有 Ｐ Ｌ功 能的 时钟 发生器 。ＭＰ Ｌ产 生主 Ｌ Ｌ
制命令 ， 以采集和处理所需的数据 。 ４ 系统硬件 电路 设计及 框 图 系统的硬件平台设计如图 ２所示 ， 其主要构成如下 ：
嵌 人式控 制器 硬件 部分 采用 ￥ Ｃ ４０作 为 Ｃ Ｕ， 加 一 ３２ １ Ｐ 外 片 ２ ｒ ｌ ｈ和一 片 ３ＭＢＮａｄＦａｈ 完成 嵌入 式 ＭＢＮｏ ａ Ｆｓ ２ ｎ ｌ ， ｓ 操 作 系统 的构 建 。一 片 ６ＭＢ Ｓ Ｒ Ｍ 运 行 应 用 程 序 ， ４ Ｄ Ａ
实现 ， 以及其 他 器 件 。其 中 Ｊ ＡＧ接 口用 于 系统 模 块 的 Ｔ
烧写 和调 试 ， ２ ２接 口、 Ｂ接 口 、 Ｄ 卡 接 口用 于 实 ＲＳ ３ ＵＳ Ｓ
本测 试系统 主要分为 ３部分 ： 入式控制 器、 嵌 逻辑转换
装置数据采集模块和远程网络监控组成。如图 １ 所示。
现场测试和远程数据采集。该测试系统通 过移植 Ｌｎｘ构建嵌入式操作系统 ， ｉｕ 以通用串口采集数据 ， 通过由 Ｓ ｉ ＱＬｔ Ｂ Ａ构建 的嵌入式 网站 实现远 ｅ和 Ｏ
基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计
基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计基于STM32单片机的无人机飞行控制系统设计一、引言无人机作为一种高效、灵活的飞行器，已经广泛应用于农业、航空摄影、物流等领域。
无人机的飞行控制系统是实现无人机稳定飞行的核心部件，关乎到无人机的安全性和性能。
本文将基于STM32单片机，设计一种高效稳定的无人机飞行控制系统。
二、系统设计方案1. 硬件设计无人机飞行控制系统的硬件设计包括主控芯片选型、传感器选择与连接、无线通信模块等。
（1）主控芯片选型本系统选用STM32系列单片机作为主控芯片。
STM32单片机具有高性能、低功耗和丰富的外设接口等特点，适合用于嵌入式系统设计。
（2）传感器选择与连接无人机的稳定飞行依赖于姿态传感器、气压传感器等，用于实时测量无人机的姿态信息和气压信息。
通过SPI或I2C接口，将传感器与STM32单片机连接。
（3）无线通信模块为了实现与地面控制站的通信，本系统选用WiFi或蓝牙模块作为无线通信模块。
通过无线通信模块，实现无人机与地面控制站之间的数据传输和指令控制。
2. 软件设计无人机飞行控制系统的软件设计包括飞行控制算法的实现、通信协议的设计和图形界面开发等。
（1）飞行控制算法本系统采用PID控制算法实现无人机的稳定飞行。
PID控制算法能根据无人机的姿态信息，实时调整无人机的控制指令，使其保持稳定飞行。
（2）通信协议设计在无人机飞行控制系统中，需要设计一种通信协议，在无人机和地面控制站之间进行数据传输。
本系统采用串口通信协议，在硬件上通过UART接口实现无人机和地面控制站之间的数据交互。
（3）图形界面开发为了方便用户对无人机进行操作和监控，本系统设计了图形界面。
通过图形界面，用户可以实时查看无人机的姿态信息、图像传输和设置飞行参数等。
三、系统实现及测试在系统设计完成后，需要进行实际的硬件搭建和软件开发。
在硬件搭建过程中，需要将选用的传感器、无线通信模块等进行连接。
在软件开发过程中，需要编写飞行控制算法、通信协议和图形界面等。
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第1期 2010年1月工矿自动化Industr y and Mine Automat ionNo.1 Jan.2010文章编号:1671-251X(2010)01-0111-04基于ARM 的空中机器人飞行控制系统的设计曲晓雷1, 曹云峰2(1.南京航空航天大学自动化学院,2.南京航空航天大学高新技术研究院,江苏南京 210016) 摘要:提出了一种基于ARM9内核的嵌入式处理器S3C2440的空中机器人飞行控制系统的设计方案,详细介绍了系统的硬件结构组成及基于嵌入式Linux 操作系统的飞行控制软件设计,并描述了软件的功能划分和控制策略的实现。
该飞行控制系统使空中机器人具备遥控遥测、指令处理、姿态控制飞行和自主导航等功能,成本低、性能高。
关键词:空中机器人;飞行控制系统;ARM;嵌入式Linux 中图分类号:TP273 文献标识码:BDesign of Flight Control System for Aerial Robot Based on ARMQ U Xiao 2lei 1, CA O Yun 2feng 2(1.College of Automation Engineering of Nanjing U niversity of A eronautics and Astr onautics,N anjing 210016,China. 2.Academy of Frontier Science of Nanjing Univer sity of Aeronautics andAstronautics,Nanjing 210016,China) Abstr act :The paper proposed a design scheme of flight control system for aerial robot designed with embedded processor S3C2440based on ARM9ker nel,introduced composition of the system's hardware structure and design of flight control software based on embedded Linux operation system in details,and described functions division of system software and r ealization of control strategy.The flight control system makes aer ial robotics have functions of remote contr ol and telemetr y,instructions pr ocessing ,attitude stabilized flight and autonomous navigation,which has low cost and high performance.Key words :aerial r obot,flight control system,ARM,embedded Linux 收稿日期:2009-09-18作者简介:曲晓雷(1983-),男,山东青岛人,南京航空航天大学自动化学院在读硕士研究生,主要研究方向为微小型飞行器。
E 2mail:qux iaoleihanhong@0 引言空中机器人(Aer ial Robotics)是指各种搭载了GPS 、机载导航设备、视觉识别设备以及无线通信设备等,能够在一定区域范围内无人自主飞行,完成目标探测以及定位跟踪等任务的飞行器[1]。
国际上对空中机器人的研究大都是围绕一年一度的国际空中机器人竞赛(IARC,International's Aerial Robotics Competition)来进行的。
由于比赛的刺激和推动,在世界范围内掀起了研究和开发空中机器人技术的浪潮,技术水平和人才培养飞速进步。
1992年,Georgia 理工大学的空中机器人第一个完成自主起飞、飞行和着陆。
3年后,斯坦福大学的空中机器人则能够让直升机从飞行地区的某一处自动抓取一个目标物体,并将其移动到飞行地区的另一处。
在2007年的第17届国际空中机器人大赛中,Georgia 理工大学的空中机器人已经能够完成3km 外房屋搜索和确定房屋门窗的位置,但是还不能拍摄房屋内部照片[2]。
遗憾的是,虽然国际空中机器人技术发展迅猛,却鲜见国内队伍参加国际空中机器人大赛,空中机器人的研制水平也远远落后于国际水平。
国内对空中机器人的研究主要是围绕着中国空中机器人大赛进行的。
在该大赛的刺激下,国内的空中机器人近年来也小有发展和进步。
目前,固定翼空中机器人能够完成自主飞行4km 、无线图象传输、地面图象处理等任务;旋翼空中机器人当中,浙江大学的/玉泉之翼0空中机器人在2005年完成了自主悬停1min 。
一个典型的空中机器人系统至少应该包括飞行器、飞行控制系统、地面控制站、任务载荷和数据链路5个部分,其中飞行控制器是空中机器人的核心部分。
本文主要针对微小型固定翼空中机器人的飞行控制系统来进行设计与实现。
1 系统总体设计方案空中机器人系统的组成如图1所示。
其中飞行控制系统是空中机器人的/大脑0,指挥着空中机器人的一举一动,使空中机器人能在没有外界操纵干预的情况下完成自主飞行、目标识别、数据和图象采集与传输等智能化的任务。
图1 空中机器人系统的组成框图空中机器人应能够实现自主导航飞行并按规定的航线飞行,且具备目标搜索和识别功能。
自主导航飞行主要靠飞行控制系统来实现,故飞行控制系统是空中机器人的核心。
根据空中机器人基本功能的要求,空中机器人飞行控制系统的导航与控制原理如图2所示。
图2 空中机器人飞行控制系统的导航与控制原理图根据系统要求以及国内外微小无人机设计方案,笔者提出了一种基于ARM9内核的嵌入式处理器S3C2440的空中机器人飞行控制系统的设计方案。
随着空中机器人体积的减小,空中机器人本身固有频率增大,这就要求角速率陀螺和加速度计有较高的响应频率(高度的测量延时对系统稳定的影响相对较小)。
因此,在空中机器人的飞行控制系统当中,陀螺、加速度计等传感器的更新频率、舵机的响应频率、飞行控制系统的控制频率等至少为50H z 。
这对空中机器人的整体设计和器件的选取具有指导性意义。
2 系统硬件设计鉴于微小型空中机器人的体积、重量和功耗等都有严格的限制,笔者依据空中机器人的功能需求,利用MEMS(微电子机械系统)技术,按照一体化集成、动态基础上性能优化的原则设计了空中机器人飞行控制系统,其硬件组成如图3所示,主要包括微型航姿仪(包括角速率陀螺、加速度计、磁航向计)、微型高度计、GPS 接收机、飞控计算机、无线数据通信接口(遥控/遥测)、舵机控制接口、有效任务载荷接口以及电源等。
图3 空中机器人飞行控制系统的硬件组成图2.1 处理器单元飞控计算机是飞行控制系统实现控制功能的核心,负责处理传感器数据,实现与GPS 接收机、机载无线电设备、摄像头、备用电路等设备接口的通信,执行控制和导航软件,操纵飞行器的伺服机构,使飞行器产生相应的动作。
基于上述要求,飞控计算机要求具有实时性、可靠性和嵌入性等特点。
实时性要求以最快的速度处理输入数据并以最短的延时输出控制信号。
可靠性要求抗干扰能力强,要有较宽的工作温度范围和抗电磁干扰能力等。
嵌入性要求体积尽量小、重量尽量轻。
飞控计算机以三星公司生产的S3C2440为处理器,属于ARM9系列微处理器。
ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能,支持多种主流嵌入式实时操作系统,其内核ARM920T 主频最高可达533MH z 。
ARM2440资源主要有内存控制器、NAND FLASH 控制器、时钟和电源管理单元、5个PWM 定时器、看门狗定时器模块、3个U ART 异步串口、8路10位A/D 通道、2路SPI 接口、JTAG 调试接口、Camera 数码摄像机接口等。
其中,通过对4路定时器编程,可以很方便地产生PWM 输出信号用于控制舵机;而利用JTAG 调试接口进行软件下载,便于在线调试和#112#工矿自动化2010年1月编程。
2.2传感器单元要实现飞行器的自主稳定飞行,首先需要得到飞行器的纵向加速度、横向加速度、飞行器的高度、滚转角、俯仰角、航向角、机体滚转角速率、机体俯仰角速率、机体偏航角速率等9个状态变量。
如果能直接迅速、准确地测量出这9个状态是最理想的。
目前市场上有几款适合于微小无人机的IMU惯性测量产品,可以直接输出机体的姿态角,但其价格高达数十万,无法满足系统整体低价位的设计目标。
本文根据国内外微小无人机领域的低价位MEMS 传感器应用情况,采用ADXRS150微机械角速率陀螺、ADXL202加速度计,以及H MR3000磁力计模块作为姿态测量传感器。
2.3执行机构单元控制执行机构选用Futaba伺服舵机,整个空中机器人执行机构分为4个部分:1个副翼舵、1个升降舵、1个方向舵、1个油门舵。
通过调整S3C2440自带的4个16位定时器输出的PWM波占空比来控制舵机偏转角度。
PWM信号周期定为20ms,每一路PWM控制信号脉宽范围为 1.05~ 1.95ms,通过PWM信号脉宽的变化来控制舵机在最大和最小2个位置之间变化,达到姿态控制效果。
3系统软件设计空中机器人飞行控制系统是一个复杂的多任务系统,实时性要求很高。
嵌入式Linux操作系统因其实时性、高可靠性、广泛的硬件支持以及开放源码等众多特性,在嵌入式实时操作系统研究领域备受重视,因此,本文采用Linux2.6作为空中机器人飞行控制软件的设计平台,其实时性可以通过RT Linux补丁达到L s级,而其内核的健壮性早已在大量的实际应用中得到了验证[3]。
飞行控制软件设计遵循结构化设计原则,采用模块化设计方法,使之运行可靠、方便移植,并使程序调试方便,维护简单。
在嵌入式Linux平台下,整个飞行控制软件可以分为软硬件初始化模块、主循环程序模块、系统处理程序模块3个部分。
3.1软硬件初始化模块该模块通过驱动程序打开硬件设备,完成硬件设备(SPI、ADC、PWM)及全局变量的初始化、计算飞行器初始状态和读取高度计初始高度值。
3.2主循环程序模块鉴于空中机器人的飞行速度快和使用环境多变的特点,控制系统应当满足速度和瞬态响应方面的要求,要求控制系统在20ms的控制周期执行1次主循环程序。
采用信号量的方式来完成20ms的时钟同步循环,系统每20ms中断释放出1个信号量,当主循环接到信号量后开始执行程序。