（控制理论与控制工程专业论文）无人机飞行控制器设计及检测与控制技术研究.pdf

西北_ _ r ：业大学颤士论文 摘要 无人机在军民两用领域发挥着越来越重要的作用，进行民用无人机飞行控 制器设计及检测与控制技术研究，具有理论意义、工程意义和经济意义。 设计了飞行控制器嵌入式计算机系统的硬件，该硬件内核采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机+ p s d 8 1 3 的结构。对p s d ( p r o g r a m m a b l es y s t e md e v i e e ) 在控制器设计 中的应用技术、单片机多串行口设计技术、硬件设计中的c p u 任务量估计、c p u 内核端口配置和元器件选用等问题进行了研究。提出了单片机多串行口设计方 案的选择原则和c p u 内核端口的配置原则。 在控制器软件需求分析的基础上，提出了具有递阶体系结构的控制器软件 设计方案。设计了具有组织级、分析决第级、执行级和支持级四个功能层次， 具有飞控、测试和调参三种工作模式的控制器软件系统。 提出了通讯协议的扩展原则，在甲方协议的基础上扩展了控制器的遥测协 议、测试协议和调参协议。研究了通讯软件的实时性问题，利用就地帧识别和 代码优化等技术，设计了具有较强实时陛的串行通讯接收程序。研究了程序设 计中n m e a 0 1 8 3 格式数据的帧提取、和校验及解码技术，基于有限状态机理论 设计了n m e a 0 1 8 3 格式数据的帧提取程序。提出了基于分时机制的8 路p w m 波软件生成法。 研究了利用g p s 校准零点、带温度补偿的气压高度测量技术，通过曲线拟 合与数字滤波技术，设计了具有较高分辨率的气压高度测量通道。介绍了三轴 姿态传感器h m r 3 0 0 0 在系统中的应用，设计了相应的接口电路和数字式滤波 器。提出了基于g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 和i g r f ( i n t e r n a t i o n a l g e o m a g n e t i cr e f e r e n c ef i e l d ) 的无人机磁航向地磁偏角修正方案，使无人机 能够在全球范围内利用磁传感器获得子午线航向。给出了发动机转速的测量电 路与计算方法。介绍了角速率补偿器的辨识过程，得到了补偿器的数学模型。 研究了无人机的飞行控制技术，利用根轨迹法设计了无人机的纵向与侧向 姿态保持控制律，设计了高度保持、航向保持、自动油门及速度保持控制律。 介绍了控制器设计中采用的可靠性保障措施和机内自检测系统的构成与实现方 案。 关键字：无人机；飞行控制；硬件设计；软件设计；检测技术；可靠性 中图分类号：t p 2 4 7 1 + 2 ； v 2 4 9 1 两北 ：_ 业大学硕 论文 a b s t r a c t u a v ( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) p l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n n a t i o n a ld e f e n s ea n dc i v i ll i f e s om a k i n gr e s e a r c h e so nt h eu a v f l i g h tc o n t r o l l e r d e s i g na n d t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l t e c h n i q u e so f u a vi so f t h e o r y , e n g i n e e r i n g a n de c o n o m i c a lv a l u e t h ee m b e d d e df l i g h tc o n t r o l l e rc o m p u t e rs y s t e mh a r d w a r ei sd e s i g n e du p o nt h e c o r ea r c h i t e c t u r eo fs i n g l ec h i pp r o c e s s o r8 0 c 1 9 6 k c + p s d 8 1 3 s i m u l t a n e o u s l y , t h e f o l l o w i n g f i v et e c h n i q u e sf o r t h eh a r d w a r ed e s i g na r ed i s c u s s e d ：t h eu s a g eo f p s di n t h eh a r d w a r es y s t e m ，m u l t i s c i ( s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s ) d e s i g nt e c h n i q u e i ns i n g l ec h i pp r o c e s s o rs y s t e m ，t h ec p ut a s ke s t i m a t i o n ，p o r t sa l l o c a t i o nf o rc o r e p r o c e s s o rd e v i c e s ，a n dt h ec h o i c eo fc o m p o n e n t si nh a r d w a r ed e s i g n t h ec h o o s i n g p r i n c i p l e s o fm u l t i s c i d e s i g n m e t h o d sa n dt h ec o r e d e v i c e s p o r t s a l l o c a t i o n p r i n c i p l e sa r ep r o p o s e d t h eh i e r a r c h i c a ls c h e m eo ft h es o f t w a r ei sp r o p o s e db a s e do nt h er e q u i r e m e n t s a n a l y s i so f t h ec o n t r o l l e rs o f t w a r es y s t e m ，t h ed e s i g n e ds o f t w a r eh a so r g a n i z a t i o n l e v e l ，a n a l y z i n g a n dd e c i s i o n m a k i n gl e v e l ，e x e c u t i o nl e v e la n ds u s t a i n i n gl e v e l t o t a l l y f o u rl e v e l sa n dc a nr u ni n c o n t r o l l i n gm o d e ，t e s t i n g m o d ea n d p a r a m e t e r s - a d j u s t i n gm o d et o t a l l y t h r e em o d e s t h er e g u l a t i o n sf o re x p a n d i n gt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la r ep r o p o s e d t h e t e l e m e t r yp r o t o c o l ，t e s t i n gp r o t o c o la n dp a r a m e t e r s - a d j u s t i n gp r o t o c o la r ed e s i g n e d f o rt h ec o n t r o l l e rs y s t e ma c c o r d i n gt ot h er e g u l a t i o n sa n dt h er u l e so fc u s t o i t l p r o t o c 0 1 t h er e a l t i m ep r o p e r t yo f t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mi ss t u d i e da n dt h e h a r dr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e db ym e a n so ff f a m ep i c k i n g u pi n i n t e r r u p ts e r v ep r o g r a ma n dc o d eo p t i m i z i n g t h ef r a m ep i c k i n g - u p ，s u mc h e c k o u t a n d d e c o d i n gt e c h n i q u e s o fn m e a 0 18 3i n f o r m a t i o ni ns o f t w a r e d e s i g n a r e d i s c u s s e d t h ef r a m ep i c k i n g u pp r o g r a mf o rn m e a 0 1 8 3i n f o r m a t i o ni sd e s i g n e d b a s e do nt h ef i n i t es t a t em a c h i n et h e o r y t h em e t h o dt og e n e r a t e8p u l s e w i d t h m o d u l a t i o nw a v e sw i t hm i c r o p r o c e s s o rs o f t w a r eb ym e c h a n i s mo ft i m e s h a r i n gi s p r o p o s e d t h e t e c h n i q u e so f t h eb a r o m e t r i ch e i g h tm e a s u r e m e n ta r er e s e a r c h e d ，w h i c hi s c a l i b r a t e db yg p si n f o r m a t i o na n dc o m p e n s a t e db yt e m p e r a t u r ei n f o r m a t i o n t h e b a r o m e t r i ch e i 曲tm e a s u r e m e n tc h a n n e lo fh i 【g hr e s o l u t i o ni sd e s i g n e dw i t ht h eh e l p o fc u r v e f i t t i n ga n dd i g i t a lf i l t e r i n ga l g o r i t h m t h eu s a g eo ft h ed i g i t a lc o m p a s s 2 两北r 业大学硕士论文 h m r 3 0 0 0i nt h ec o n t r o l l e ri si n t r o d u c e da n di t si n t e r f a c ec i r c u i ta n dd i g i t a lf i l t e ra 穗 d e s i g n e d ，t h em e t h o dt oc o r r e c tt h ed e c l i n a t i o ne r r o ro f u a v g e o m a g n e t i ch e a d i n g w i t hg p sa n di g r fi sp r o p o s e d ，b ym e a n so f w h i c ht h et r u eh e a d i n go f t h ec r a f tc a r l b eo b t a i n e dw i t hm a g n e t i cs e n s o ri n g l o b a ls c o p e ，t h em e a s u r i n gc i r c u i t a n d c o m p u t i n ga l g o r i t h mf o rt h ee n g i n er o t a t i n gs p e e dm e a s u r e m e n ta r eg i v e n t h e m o d e li d e n t i f i c a t i o no fg y r o s c o p ei si n t r o d u c e da n dt h er e s u l tm o d e li si i l u s t r a t e d t h ec o n t r o ll a w so fi o n g i t u d i n a la n dl a t e r a l d i r e c t i o n a l a u t o p i l o tm o d e sa r e d e s i g n e db a s e do nr o o t l o c u st h e o r y t h ec o n t r o ll a w so fa l t i t u d eh o l d i n gm o d e ， h e a d i n gh o l d i n gm o d e ，a u t o - t h r o t t l e c o n t r o la n da i r s p e e dh o l d i n g m o d ea r e d e s i g n e da sw e l l t h et e c h n i q u e su s e d t oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e ra r e e x p l a i n e di nd e t a i l ，a n dt h ef o r m a t i o na n dr e a l i z a t i o no fb i t ( b u i l t i nt e s os y s t e m a r e p r e s e n t e d k e y w o r d s ：u a v ；f l i g h t c o n t r o l ；h a r d w a r ed e s i g n ：s o f t w a r ed e s i g n ； m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y ：r e l i a b i l i t y ； c l c n u m b e r ：t p 2 4 7 1 + 2 ：v 2 4 9 1 3 第一章绪论 1 1 无人机及其检测与控制技术概述 无人飞机( u n m a n n e da e r i a lv e h i c l e ) 简称无人机( u a v ) ，又称空中机器 人，是用无线电遥控操纵或由自身程序控制的一种不载人飞行器。无人机最初 用于航空运动，而后用作飞行员和地面武器训练的靶机。本世纪6 0 年代，无人 机作为侦察机和假目标开始用于战争。由于无人机有机动灵活、体积小、成本 低、无人员伤亡等优点，无人机研究和发展受到许多国家的高度重视。在军事 上，无人机可作为空中侦察平台和武器平台，通过携带不同的设备，执行侦察 监视、对地攻击、电子干扰、通信中继、目标定位、攻击损伤有效评估等任务。 在民用方面，无人机也大有可为，它可应用于航空摄影、气象探测、勘探测绘、 环境研究、核辐射探测、通信中继、水灾监视、森林火灾防救、电力线路查巡 等，还可用于边境巡逻与控制、交通巡逻和治安监控，并在大型牧场和城区监 视等方面有广阔的市场和应用前景。 早期的无人机飞行控制通过模拟电路实现，随着集成电路和计算机的出现， 无人机飞行控制实现了数字化。现在的无人机飞行控制器基本上是一个嵌入式 计算机系统，系统的c p u 常见的有单片机，如8 0 3 1 口j 平日c 8 0 5 1 f 0 2 0 3 i ，数字信 号处理器如t m s 3 2 0 c 3 1 【4 ，p o w e rp c 如m p c 5 5 5 5 1 和p c 机芯片如p c i 0 4 1 6 等类型。 在控制器的硬件设计上，有容错技术和i s p l s i 技术，如采用多c p u 【7 l 和 i s p l s i l 0 3 2 6 0 l j 器件1 8 1 。无人机飞行控制器一般按用途分为专用型和通用型。 专用型控制器是专门为某一型号无人机设计的控制器，常用于军事领域。通用 型的无人机控制器常用于民用，一般有集成度高、适应范围广的特点，如u a v f l i g h ts y s t e m s 公司的a p 5 0 9 j 无人机控制器和c l o u dc a pt e c h n o l o g y 公司的 p i c c o l o 如】无人机控制器，均集成了g p s 接收器、温度传感器、动静压传感器、 压电陀螺、加速度计、遥控遥测数据链路和摄像镜头控制电路。 无人机的飞行控制软件按是否采用操作系统分为两类：前后台式控制软件 和基于实时操作系统的控制软件。前后台式控制软件基于早期的软件设计方法， 程序的所有任务由主循环依此调用执行，部分任务由中断服务程序执行，程序 代码一般全部由控制器设计人员编写。而基于实时操作系统的控制软件设计是 在某一操作系统上进行二次开发，程序具有多任务并发执行的特点，常用的实 时操作系统有v x w o r k s 、u c o si i 、q n x 等。无人机由于可靠性要求高、飞行控制 模式多，控制软件一般都包含多个子系统或子模块，具有开放的层次式体系鲒 构。有的控制器在软件结构层次的高层，有飞行管理功能，如a p 5 0 控制器， 两北工业大学硕十论文 可以设定多达2 4 个航程点，进行航路管理和自主飞行。有的控制器采用了在系 统可编程技术，如通用型无人机控制器p i c c o l o ，用户可以在s i m u l i n k 上设计 控制方法，然后自动生成c 语占控制代码，通过c a n 总线下载到控制器中。 无人飞机所用到的飞行状态检测技术本质上同有人飞机相同，只是采用的 传感器在成本、体积和工作范围上要比有人飞机要小。飞机定位主要采用全球 定位技术( g p s ) ，飞行高度和空速通常采用动静压测量法，飞机的三轴姿念角 常采用陀螺传感器进行测量，测量无人机的角速率常用的传感器为陀螺传感器 和压电陀螺。无人机检测技术的研究主要集中在传感器技术、信号处理技术和 多传感器信息融合技术。无人机的传感器技术研究主要集中在微机电技术、微 制造技术和零功耗技术等。 无人机的飞行控制，有三种方式：一是人在回路的手动控制，二是自动驾 驶，三是自主飞行。手动控制是操作人员通过目视飞机的姿态和位置，直接通 过遥控操纵飞机的控制面，使飞机保持姿态或按要求飞行。自动驾驶是控制器 在接受控制指令后，通过传感器获取飞行姿态，构成闭合回路自动保持飞机飞 行姿态的一种控制方式。自主飞行控制包括自主完成预先确定的航路和规划的 任务，或者在线感知形势，并按确定的使命、原则在飞行中进行决策并自主执 行任务【i “。无人机的经典飞行控制设计方法，是在全包线内将飞机按不同的典 型状态点进行线性化，在每一个状态点上按线性系统理论设计控制器，在不同 的状态点之间通过线性插值获得相应的控制器算法i l 。经典设计方法到目前为 止应用最为广泛。为了使无人飞机获得更好的飞行品质和可靠性，先进控制理 论在无人机飞行控制中得到了实践和探索，如反馈线性化、数值优化法、滑态 变结构控制、自适应控制、鲁棒控制和最优控制等。在具有自主飞行功能的无 人机系统中，人工智能是解决控制问题的主要手段【l 引，这种情况下，控制系统 一般具有层阶、开放的体系结构，递阶控制、专家系统、模糊控制和多模型自 适应技术是其主要实现方法。 总之，无人机技术集航空技术、控制技术、计算机技术、通讯技术、传感 器技术及g p s 技术于一体，是现代高技术的集中体现。无人机的控制器设计及 其检测与控制技术研究，涉及到了计算机系统、软件工程、信号采集与处理、 参数辨识、系统建模、系统仿真、控制理论、人工智能、优化理论和可靠性等 多个学科，是一个系统工程。 1 2 课题来源与研究意义 1 2 1 课题来源 本课题来自于深圳某公司的航空摄像无人机项目，属于横向课题。主要任 西i lr 业大学硕l 论义 务是设计专用的无人机飞行控制器软硬件系统，并研究相应的控制方法，使飞 机能够实现手动遥控飞行和自动驾驶飞行。 1 2 2 研究意义 目前，民用无人机的应用范围迅速扩大，市场前景非常看好，针对有代表 性的航空摄像无人机，研究其控制器设计及相关的测量与控制技术，便于尽快 占领市场，有巨大经济的意义。我国现在的无人机技术落后于某些西方发达国 家，研究无人机飞行控制这一核心技术，有助于推动无人机的产业化、系列化、 缩小我国与发达国家之间的差距、促进技术进步，因此具有很强的工程意义。 无人机控制器设计及其检测与控制技术是一个多学科、多领域交叉的综合技术， 从事该领域研究有可能在某些层面上取得革新或突破，并可以为各种先进控制 理论应用于工程实践积累经验，因此本研究有很强的理论意义。无人机最初应 用于军事，研究民用无人机的相关技术，是将军用技术应用于国民经济建设的 一个转化过程，同时民用领域的先进研究成果又能推动军用技术的发展，因此 本课题研究具有国防意义。 总的来说，本研究具有经济意义、工程意义、理论意义和国防意义。 1 3 系统总体设计方案 1 3 1 无人机的总体测控方案 项目中的无人机用于航空摄像，整个无人机的电子装置分为地面和机载两 大部分：地面设备包括地面监控计算机系统、手持式飞行操纵器和数据传输装 置；机载电子设备有无线电通讯模块、飞行控制器、摄像镜头及g p s 接收机和 传感器等。无人机的总体测控方案如图卜1 所示。图中，飞行控制器用来检测 飞行状态、控制飞机飞行、控制开切回收伞和摄像镜头运动；机载无线电模块 用来接收g p s 信息，并和地面的数据传输装置构成无线电数据链路，实现图像 信息的回传和遥控遥测信息的传输；地面监控站是无人机地面监视与控制的主 要设备，接收从手持操纵器传来的手动控s f j * 口自动驾驶指令，通过数据链路上 行发送给飞机，同时接收飞机回传的遥测信息，实时显示并存储为历史数据庠， 此外监控站还有电子地图、飞机航路显示及视频图像显示记录等功能。 1 3 2 飞行控制器系统总体设计方案 无人机的飞行控制器采用嵌入式计算机系统。计算机的c p u 采用8 0 c 1 9 6 k c 单片机，软件系统不采用实时操作系统，而是按层阶体系结构组织子程序模块。 飞行控制器的运行有三种模式：飞控模式、测试模式和调参模式。飞控模式是 两北工业人学硕上论文 指正常的飞机飞行与控制模式，控制器与外界设备按图卜1 形式连接，用于实 现飞机的手动飞行控制、自动驾驶、摄像镜头控制和回收控制。测试模式是指 在地面对控制器及飞机各部件进行测试和故障诊断时的运行模式，主要用于飞 行前自检测和对控制器进行维护时。调参模式是指工作人员通过程序对控制器 内各种参数进行修改时控制器的运行模式。当运行于后两种模式时，控制器的 遥控遥测数据通道和维护计算机相连( 见图卜2 ) ，控制器从维护计算机接收测 试信息帧或调参信息帧，向维护计算机发送测试回报帧或调参回报帧。 l 镜头i 厂习r 奉i 厂 il 刊回收伞l l 尉 飞机飞行高度采用气压高度测量法，气压高度利用g p s 校准参考点，利用 起飞点温度进行温度补偿。飞机的发动机转速利用霍尔传感器测量，通过检 钡6 螺旋桨旋转周期进行。飞机的俯仰角速率和滚转角速率利用带有压电陀螺的角 4 两北工业大学硕上论文 速率补偿器测量。飞机的三轴姿态角通过带水平校正的磁传感器测量。飞机飞 行速度利用g p s 信息计算获得。 控制器的控制方式有开环和闭环两种，摄像镜头的运动采用开环控制方式， 油门采用闭环控制方式，手动飞行时飞机采用开环控制，在自动驾驶状态时采 用闭环控制。 1 4 作者的主要工作及论文的特色与贡献 1 4 1 作者的主要工作 作者在本课题的研究工作中主要承担了以下工作： ( 1 ) 独立完成了飞行控制器硬件的一次设计、二次设计及结构设计，合作完成 了第一版硬件的调试工作，独立完成了第二版硬件的调试工作。 ( 2 ) 制作了飞行控制关键测控部件的辨识装置，独立完成了辨识工作，得到了 部件的数学模型。 ( 3 ) 制作了传感器的标定试验装置，独立完成了传感器的标定工作。进行传感 器测量数据分析和处理，获得飞行状态测量及数据处理计算公式，编写相关计 算及滤波软件。 ( 4 ) 独立设计了飞行控制器的多工作模式实现方案，扩展了飞行控制器的通讯 协议，设计了控制器系统的测试及维护方案。 ( 5 ) 在上届同学所编部分遥控底层软件的基础上，独立完成了控制器软件系统 的需求分析和概要设计，完成了无人机遥控遥测软件的全面详细设计，并调试 通过。 ( 6 ) 设计了无人机的纵向、横侧向、油门及速度保持控制器，并进行仿真验证。 ( 7 ) 独立设讨了控制器系统的机内自检测方案，并完成了上电自检测软件的设 计与调试。 ( 8 ) 将控制器及其软件与无人机测控数据链路和地面设备进行联合调试，验证 控制器的功能和性能，结果表明符合设计要求。 1 4 2 本论文的主要特色与贡献 ( 1 ) 在控制器的计算机系统硬件设计中，采用了单片机+ p s d 的内核设计方案。 本方案有效简化了控制器的硬件设计、缩小了体积、提高了可靠性。 ( 2 ) 对于如何合理分配单片机系统c p u 内核端口，作者进行了讨论和分析，提 出具有指导意义的6 条原则。该原则连同控制器硬件的总体设计思想发表在计 算机测量与控制上。 ( 3 ) 针对单片机系统多路串行口设计问题，作者对现有的8 种方法进行了比较 西北工业大学硕士论文 研究，提出了方案的选择原则。基于研究结论，作者成功设计了有较高性价比 的姿态测量传感器串行接口。本部分研究内容作者已撰写成文投到计算机工 程与应用。 ( 4 ) 基于功能分层思想对软件系统进行设计规划，最终编写了分为四个功能层 次、具有递阶体系结构的控制器系统软件。软件结构的清晰化和层次化，为软 件的开发与维护、控制器多工作模式的实现和智能控制技术的进一步应用提供 了实现手段。 ( j ) 针对控制器多工作模式时通讯信息的复杂性和甲方通讯协议的单一性问 题，提出了通讯协议的扩展原则，在甲方通讯协议的基础上扩展了控制器的遥 测、测试和调参协议。 ( 6 ) 研究了无人机控制器通讯软件的实时性问题，在分析串行数据接收过程的 基础上，通过中断服务程序就地帧识别技术、中断和程序主循环时间配合与任 务协调技术、数据搬移省减和代码优化技术等手段，设计了具有较强实时胜的 无人机串行数据接收程序。 ( 7 ) 针对无人机系统需要多路p w m 控制信号的问题，提出了基于分时机制的8 路p w m 波软件生成法。利用两个软件定时器通过分时机制产生8 路p w m 波，波 形分辨率达到u s 级，本方法发表在机械与电子上。 ( 8 ) 提出了基于g p s 和i g r f 的地磁偏角修正方案。根据本方案，飞机能够在 全球范围内利用磁传感器获得子午线航向，为导航带来极大便利。本思想已经 撰写成文，投到国际会议i c a r c v 2 0 0 4 。 ( 9 ) 在没有充分资料的条件下，对飞行控制的关键部件角速率补偿器进行 了辨识，获得了该器件的数学模型。该器件俗称为“陀螺仪”，在微小型飞行器 和航模中广泛应用。得到该器件的数学模型，对于其他微小型飞行器的设计与 分析，具有重要参考价值。 ( 1 0 ) 对磁航向传感器的应用及误差修正进行了研究，得到了具体的零位误差 和灵敏度误差修f 方法。该方法对于机器人定向和磁场测量有借鉴意义，本部 分内容写在论文附录中，己发表在传感器技术，相关的二维磁航向传感器的 应用技术已被传感技术学报录用，拟于2 0 0 4 年第二期发表。 ( 1 1 ) 本控制器的第一版硬件在设计调试完成后，经作者略加改造，制作了遥 控无人潜水艇的控制器。该潜水艇作为课外科技作品，在学校第九届“三航杯” 科技竞赛开幕式上进行现场表演并获一等奖，参加陕西省第四届“理工晶体挑 战杯”大学生科技竞赛获二等奖。因此可以说，本控制器系统的设计也经过了 遥控无人潜水艇的航行检验。 1 5 论文结构安排 6 西北t 业大学硕l 论义 本论文有六个章节和一个附录，内容安排如下： 第一章、绪论 概述无人机控制器设计及检测与控制技术发展现状，介绍课题来源、项目 总体设计方案、作者的主要研究工作、论文的特色及结构安排。 第二章、飞行控制器硬件设计 介绍无人机控制器系统的硬件总体方案。介绍控制器嵌入式计算机系统选 型、内核设计和外围单元电路殴计。研究p s d 在单片机系统中的应用技术、单 片机系统的多串行口设计技术和硬件设计的一些关键技术。 第三章、飞行控制器软件设计 介绍无人机控制器软件的需求分析、功能构成和结构实现。研究软件系统 的功能分层、通讯协议扩展和强实时性串行数据接收程序设计技术。介绍 n m e a 0 1 8 3 格式数据的帧识别、和校验及数据提取软件设计技术。介绍基予软件 定时器的8 路p w m 波生成技术。 第四章、飞行状态检测技术与关键测控部件的辨识 介绍利用g p s 校准零点、带温度补偿的气压高度测量技术及其计算公式的 试验拟合与滤波器设计。介绍h m r 3 0 0 0 传感器及三维姿态角的测量与滤波。介 绍基于g p s 和i g r f 的地磁偏角修正方案。介绍发动机转速的测量方法和基于 g p s 信息的飞行速度计算方法。介绍无人机测控的关键部件角速率补偿器 的辨识过程和数学模型。 第五章、无人机飞行控制方法研究 给出了飞机的线性化小扰动全面运动方程及飞行条件。介绍利用根轨迹法 设计飞机俯仰姿态保持及高度保持控制律的具体过程，并进行仿真验证。介绍 飞机倾斜姿态保持及航向保持控制的设计实现及仿真验证。介绍利用发动机转 速反馈改善发动机动态性能的控制方法，介绍飞机的油门控制律和飞行速度保 持控制律的设计及仿真结果。 第六章、无人机飞行控制器可靠性研究 分析了飞行控制器可靠性对无人机的重要意义，从硬件设计、软件设计、 机内自检测和飞行故障分析四个方面阐述了提高控制器可靠性的技术措施。重 点介绍了机内自检测系统的构成与实现方法。 附录、二维磁航向测量及误差修正研究 在课题展开之初，甲方提供的航向传感器是二维磁传感器7 2 x ，作者对该 传感器的应用及误差修正技术做了一定研究。在对控制器硬件进行二次优化设 计的时候，甲方提供了有较高精度的三维数字罗盘h m r 3 0 0 0 ，h m r 3 0 0 0 不但能提 供飞机的航向角，还能提供飞机的俯仰角和滚转角，因此二维磁传感器v 2 x 在 控制器系统中就没有应用的必要。在硬件设计时，出于全面性的考虑，作者仍 西北工业大学硕十论文 然保留了v 2 x 的接口，并在第二章中将v 2 x 的接口设计作为考虑问题的因素之 一。作者就v 2 x 所做的研究工作对于机器入定向、自动驾驶汽车定向已及磁场 探测有一定的参考价值，舍弃不写较为可惜。为不破坏本论文的完整性，将该 部分研究工作作为附录附在正文末尾。 附录中介绍了二维磁航向传感器v 2 x 的工作原理、接口电路设计、误差修 正技术和实际应用结果。 西北t 业文学硕士论文 第二章飞行控制器硬件设计 2 1 飞行控制器系统总体结构与硬件方案设计 2 1 。1 无人机飞行控制系统总体结构 弼1 3 所述，飞行控制嚣作为秃人飞梳税载电子设备之，主癸完成飞 机的姿态稳定、自动驾驶、状态检测、摄像镜头控制私回收控制等任务。其主 要静输入是遥靛指令帮飞秘的籀关滚态董，输蹬是飞秘静舵攒令、云台指令、 回收伞指令和邂测数攒，整个完整的龙人枧闭环控制承统硬件配爱总体结构如 闰2 一l 耩示。 强2 - 1 ；无凡机飞行控制系统总体结构圈 f i g 2 - 1 s c h e m eo fu a vf li g h tc o n t r o ls y s t e m 2 1 ，2 燹夫枧飞 亏控制瓣控制鼹硬件的要求 无人飞机电于体积小、栽赞轻、凭人驾驶、成本高昂等特点，与瞢通仪器 艾表穗毙，对控翻器熬要求较褰，具体跑谩鸯以下足个方瑟： ( 1 ) 控制器体积要小，能够安装在机舱内狭小的空间； ( 2 ) 重量要轻，小予飞规熬竞诤载臻； ( 3 ) 控制器能耗低，最大巡航时间内所耗能量不超过机载鬻电池储存能量： ( 4 ) c p u 运箨速度炔，能在个节掇内完成控割输如的计算，控制输出糖艘 高、稳定性好； 空 两北工业大学硕上论：( = ( 5 ) 通讯误码率低，手动操作响应时间短； ( 6 ) 可靠性高，持续稳定工作时间长： ( 7 ) 起飞前飞行参数设置简便，控制器维护及参数调整方便； ( 8 ) 存储空间大，可满足复杂控制程序的存储要求和试飞所需辨识数据的存 储要求。 具体到本系统，控制器所需处理的信号类型、数目和要求见表2 1 。 表2 一l 飞行控制器所需处理信号一览表 t a b 2 1 s i g n a l s i n p u t t e di n t oa n do u t p u t t e df r o mt h ec o n t r o l l e r 信号 信号类型路数用途具体要求 流向 遥控数据 1 9 2 0 0 波特、1 帧3 3 m s 、1 2 字：宵帧共用1 个 串行数据 2 g p s 数据1 9 2 0 0 波特、l 帧s 、7 0 字节帧信道 输i 皿f r 3 0 0 0 数据1 9 2 0 0 波特、l 帧5 0 m s 、3 5 字节帧 s p i 数据 l二维磁航向 组2 0 0 m s 、3 2 b i t 组 模拟最 3 气温气压电压 入 频率量1转速信号3 0 3 0 0 h z p w m2角速率周期1 4 5 9 m s 、宽度5 0 0 2 0 0 0 u s 开关量 2 二维磁航向状态 串行数据 1遥测数据 1 9 2 0 0 波特、1 帧1 5 0 m s 、2 0 字节帧 e 机控制3 路 输云台控制2 路 p w m8 周期1 4 5 9 m s 、5 u s 级精度 开伞l 路 出 补偿器增益2 路 抛伞1 路 开关量 6 二维磁航向5 路 所以控制器硬件的方案选择，既要能满足表2 - 1 所列输入、输出信号的基 本处理要求，又要能完成相关的测控运算，整体性能符合无人机的特殊性。 2 1 3 控制器硬件方案设计 控制器硬件方案设计的核心问题是c p u 的选择。考虑到无人机测控信号类 型的多样性、信号精度要求、测控运算量的大小和系统开发成本，作者认为 i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 k c 较为合适。 8 0 c 1 9 6 k c 有8 路1 0 位精度的a d 转换口，可以满足3 路模拟量的检测需要； 有p i 口，可以用软件产生8 路p w m 波；自带1 个u a r t ，可以满足1 路串行通 讯需要：有高速输入接口，可以用来检测p w m 波，并为l 路二维磁航向传感器 应答信号提供输入通道；有t 2 定时器捕获功能，可以用来检测频率量；有复用 的i o 口，可以用来作为开关量输入输出接口。如果选用低一档的8 0 5 1 系列卑 片机，则存在c p u 运算速度低、需外扩接口的不足。如果选用p c i 0 4 ，虽有c p u 西北工业人学硕上论文 运算速度快等优势，但体积大，开发成本大。所以8 0 c 1 9 6 k c 是满足设计要求且 开发风险小、综合成本低的备选c p u 。 用8 0 c 1 9 6 k c 单片机作为c p u ，完成c p u 内核设计需要外扩存储器、设计总 线控制器和译码电路。一般来说，构成一个完整的内核至少需要外加5 个芯片， 使系统的体积明显加大、可靠性明显降低。为此，提出在单片机系统中使用可 编程外围器件p s d 8 1 3 取代存储器、总线控制器和译码电路。p s d 的集成度高、 程序存储空间大、端口可灵活配置、有在系统可编程功能，对于满足无人机飞 行控制器小体积、高可靠性、大程序存储容量、参数可程序调节可长期存储等 特殊要求，有着无可比拟的优势。所以控制器的硬件设计方案最终选择了单片 机+ p s d 的基本布局。 p s d 只有2 k 的s r a m ，考虑到飞行控制过程中数据变量比较多，在试飞采集 辨识数据时，需要大量的数据存储空间，所以给c p u 内核中扩展了一片r a m 6 2 2 5 6 ，并给r a m 和p s d 接上备用电池，当电池电压小于3 v 时由电池供电，可 以保证r a m 与s r a m 中保存的数据不丢失。 对于第二路串行接口，经过比较分析，选用了可编程通讯控制器1 6 c 5 5 0 。 1 6 c 5 5 0 采用f i f o 方式时，接收一个队列字节后爿+ 向c p u 提出一次中断请求， 能明显减小c p u 的负担，适合作为数字罗盘i 珊i r 3 0 0 0 的通讯接口。 2 2 飞行控制器的c p u 内核设计 2 2 1c p u 内核设计要解决的基本问题 单片机系统的c p u 内核设计是确定系统工作方式、决定成败、影响后续工 作效率的关键。好的内核设计充分考虑了外围电路设计、软件设计以及调试工 作等各种情况，能为后续的软硬件设计打下良好的基础，有事半功倍之效。而 差的内核设计则会成为后续工作的绊脚石、不能脱机运行的致命点。所以，做 好内核设计，首先要对系统的硬件总体结构有非常明析的规划，对软件设计有 充分的估计，并要解决好内核设计的基本问题。 对于本系统来说，解决内核设计的基本问题，就是确定数据的总线宽度、 选择p s d 的地址锁存端口、分配存储空间、选择p s d 的地址译码输出引脚、分 配外部中断、确定开关量输入输出接口。 2 2 2c p u 内核设计 在设计中，c p u 采用8 位数据宽度，c p u 复用的1 6 根数据地址线a d o a d l 5 接到p s d 的数据地址端l ia d i o o a d i o l 5 。低8 为地址线经过p s d 内部的f d p l d ( f l a s hd e c o d ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 闪速译码后从p a 口锁存输出， 西北t 业大学硕上论文 6 2 2 5 6 和1 6 c 5 5 0 的片选线经p s d 内部的闪速通用f g p l d ( f l a s hg e n e r a tp u r d 。s e p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 泽码后分别从p d 2 口和p b 5 口输出。总寻址空间 为6 4 k ，程序在低地址段，临时数据靠近程序段，永久数据存储在p s d 的s r a m 中，定位在高地址段，p s i ) 的寄存器c s i o p 定位在最高地址段，1 6 c 5 5 0 的地址 靠近c s i o p 。c p u 的取指信号i n s t 接到p s d 的c n t l 2 ，在6 4 k 统一寻址空间不 够用时，作为区分程序和数据空问备用。t 6 c 5 5 0 的中断作为外部中断接到c p u 的e x i n t 。所设计的c p u 内核见图2 - 2 。 图2 2 无人机飞行控制器c p u 内核电路图 f i g 2 - 2 c i r c u i tf o rt h ec o n t r o l l e rs y s t e mc o r ed e v i c e s 2 2 3c p u 内核端口分配方案 因为控制器要处理的信号数目和类型比较多，把信号具体接到哪一个端口 需要事先考虑功能的可实现性和性能指标。 参照表2 - 1 ，二维航向传感器的握手过程( 见图a 一3 ) 有较强的时序要求， 启动转换信号p c + s s 接在高速输出h s o 1 ，响应信号e o c 作为高速输入信号接 到h s i 0 ，s p i 接口有同步时钟端s c l k 和审行数据输出端s d o ，读取数据时要 求速度较快，分别按在c p u 的p 2 6 和p 2 4 端口，电路参见图a 一4 。 c p u 的a d c 是十位精度。用于气压高度测量，对于所选的传感器和所设计 的运算放大器来说，分辨率为1 2 米( 见4 1 6 ) ，可以满足高度测量的精度要求。 另两个模拟量气温和电池电压信号的检测分辨率要求较低，加上这三路信 号是陧变信号，可以直接按在c p u 的p o 口，不用采样保持电路。 1 路频率量用于测量发动机的转速，频率范围在3 0 3 0 0 h z 。利用c p u 的t 2 定时器捕获功能，就可以记录相邻两次上跳沿之间的时间差，做求倒运算可得 发动机转速，所以频率量接在c p u 的p 2 。7 。 两路p w m 输入量信号，需要测量其脉冲宽度，接在c p u 的高速输入1 2 1h s i 1 两北t 业大学硕士论文 和h s i 2 ，通过h s i 的f i f 0 队列记录信号电平每次跳变时间求其脉冲宽度。 8 路p w m 信号，通过p 1 口输出，p w m 波的产生利用两个软件定时器通过分 时机制实现( 见3 6 ) 。 2 3p s d 在无人机飞行控制器中的应用 在内核设计完成、端口分配方案确定之后，硬件设