基于fpga的多旋翼飞控芯片的测试研究

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1、硕士学位论文基于FPGA的多旋翼飞控芯片的测试研究STUDYONTHETESTOFMULTIPLEROTORUAVFLIGHTCONTROLCHIPBASEDONFPGA徐基鑫哈尔滨工业大学2015年12月国内图书分类号：TN47学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文基于FPGA的多旋翼飞控芯片的测试研究硕士研究生：徐基鑫导师：张岩教授申请学位：工学硕士学科：微电子学与固体电子学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2015年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN47U.D.C:621.3Dissertationforth

2、eMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHETESTOFMULTIPLEROTORUAVFLIGHTCONTROLCHIPBASEDONFPGACandidate：XuJixinSupervisor：Prof.ZhangYanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：Dcecmber,2015Degree-Con

3、ferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要人们对于旋翼飞行器的研究始于20世纪初，由于工艺水平的限制和相关理论的匮乏并没有取得良好的结果。但是随着微电子工艺水平的进步，相关导航技术理论的成熟，以及无人机的军用、民用和商用等需求的增加，多旋翼无人机的开发和应用显得越来越重要，这不仅具有极大理论研究价值，还能带来可观的商业价值。本文以实验室的无人机芯片开发项目为研究背景，研究多旋翼无人机飞控芯片的原型控制电路，并搭建以FPGA为核心的无人机芯片测试平台，用于开发和测试多旋翼无人机芯片电路的软件模块和硬

4、件模块，并为实现多旋翼无人机的控制芯片奠定一定的基础条件。本文对多旋翼无人机的发展、导航技术的相关知识进行了阐述，详细描述了本文使用的姿态算法和控制算法原理。基于ARM控制器建立了多旋翼无人机的测试环境，进行了算法验证和系统总体结构的验证。其中，主要研究了惯性传感器初始化算法、多旋翼无人机姿态导航算法、PID运动控制算法的实现问题以及系统的总体结构。在ARM平台的搭建工作中，算法测试得到的数据，都为FPGA测试平台中的设计提供了实际的参考数据。最重要的部分是多旋翼无人机飞控芯片电路的设计和测试工作。FPGA硬件板卡是该部分的基础硬件，本文中使用了以Zynq7020为核心的开发板，自

5、行设计了底层的接口板卡，用于连接传感器、供电模块等。FPGA的电路设计部分，主要完成了基于互补滤波的姿态算法电路IP模块、双环PID控制算法电路IP模块以及多旋翼无人机飞控芯片的顶层电路。在对两个主要算法电路模块的测试工作中，使用的参考数据来自ARM控制器平台，并与测试得到的数据进行了对比分析。分析结果可以证明两个主要算法电路和算法原理的一致性。关键词：无人机；FPGA；姿态算法；控制算法；芯片-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractIntheearly20thcentury,studiesonrotorcrafthavestartedtotakeshape,butdu

6、etothelimitoftechnologyandthelackofrelatedtheory,itdidn'tgetagoodresult.However,withtheprogressofMicroElectronictechnology,thematurationoftechnologytheoryandtheincreaseofUAVcivilianandcommercialdemand,developmentandapplicationofmultirotorUAVarebecomingmoreandmoreimportant.Itnotonlyinvolvesgrea

7、ttheoreticalresearchvalue,butalsobringsconsiderablecommercialvalue.OnthebackgroundofUAVchipdevelopmentprojectoflaboratory,thisdissertationmakesresearchesonUAVflightcontrolchipcircuits,andbuiltsaUAVchiptestplatformwithFPGAtodevelopandver