基于fpga的小型无人直升机飞行控制系统设计与实现

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1、学校代码10406分类号TP37密级学号120085210023南昌航空大学硕士学位论文题目基于FPGA的小型无人直升机飞行控制系统设计与实现作者王森林学科、专业控制工程指导教师代冀阳申请学位日期2015.06学校代码：10406分类号：TP37学号：120085210023南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）基于FPGA的小型无人直升机飞行控制系统设计及实现硕士研究生：王森林导师：代冀阳教授申请学位级别：硕士学科、专业：控制工程所在单位：信息工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：南昌航空大学FlightControlSystemDesign

2、andImplementationforSmallUnmannedHelicoptersBasedonFPGAADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterControlEngineeringbyWangSenlinUndertheSupervisionofProf.DaiJiyangSchoolofInformationEngineeringNanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune,2015摘要小型无人直升机用途十分广泛，在军事上，可用于制造虚拟目标、勘察敌情、打击敌

3、人等；在民用上，主要用于高压线路检修、测绘、喷洒农药等。因此，近几年来，小型无人直升机受到越来越多的关注。因其难以操控，必须具有控制器才能自主飞行。本文以FPGA为控制核心器件，研究了小型飞行控制系统设计和实现问题，主要开展了以下几方面工作：1.根据国内外小型无人直升机飞行控制系统设计的研究现状，分析了小型无人直升机的起飞、悬停等状态，给出以FPGA为控制核心器件的小型无人直升机飞控系统总体设计方案。2.对采集的飞行数据应用最小二乘法拟合得出高度，俯仰角和翻滚角随控制量变化曲线。采用Z-N曲线的临界点法，得出了各通道PID参数值。针对小型无人直升机起飞依赖

4、地面操控的问题，提出了一种高度与姿态同时控制自主起飞策略，降低了起飞难度。3.以FPGA为核心控制器件，制定了整体的硬件设计方案，包括最小单元控制板、系统电源、程序存储器、数据采集器等。针对其中舵机易受外部模拟信号干扰的问题，设计了独立的供电模块、信号隔离模块、手动自主切换模块。最后运用数据采集器，实现了飞行数据的实时采集。4.根据制定的硬件设计方案，进行相应的软件设计，包括SPI，UART，I2C与FPGA控制器的通信接口，FIFO数据缓存器、PWM信号编码器、PWM信号存储器等。其中，舵机控制采用PID算法。同时实现了小型无人直升机的自主起飞控制，并利

5、用LabVIEW软件对小型无人直升机飞行进行3D动态实时检测、显示。验证了本课题的控制系统设计的正确性与有效性。关键词：小型无人直升机，数据采集，FPGA，舵机IAbstractTheapplicationofsmallunmannedhelicopteriswidespread.Inmilitary,itcanbeusedtomakeavirtualtarget,surveyingtheenemy,attacktheenemyandsoon.Incivilian,theusingofitismainlyforhigh-voltagelinemainten

6、ance,mappingandsprayingpesticides.Therefore,thesmallunmannedhelicopterattractsmoreandmoreattentioninrecentyears.ThispaperadoptsFPGAasthecorecontroldevicestoresearchthesmallflightcontrolsystemdesignandimplementationissues.Thefollowingsarethemanlyworksofthearticle:First,accordingthe

7、researchstatusofsmallunmannedhelicopterflightcontrolsystemdesign,thethesisanalyzesthetakeoff,hoverandotherstatusofthehelicopter,andgivesdesignprogramofsmallunmannedhelicopterflightcontrolsystembasedoncorecontroldevicesofFPGA.Second,thepaperusesleastsquaresmethodtofitflightdataforc

8、ontrolamountcurveofdrawheight,pit