多旋翼無(wú)人機(jī)智能控制芯片的關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.pdf

1、近年來(lái)，由于多旋翼無(wú)人機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、安全性高、垂直起降、空中懸停等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于地圖測(cè)繪、森林滅火、公路巡查、活動(dòng)航拍等各個(gè)領(lǐng)域。目前，市場(chǎng)上已經(jīng)有大量的多旋翼無(wú)人機(jī)，其中大部分的產(chǎn)品都是采用ARM內(nèi)核的芯片和軟件編程來(lái)控制飛行。但是，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理有速度慢和精度低等缺點(diǎn)，這嚴(yán)重影響了飛行器的智能控制；同時(shí)軟件處理系統(tǒng)的功耗大，降低了無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。
　　為了解決上述缺陷，實(shí)驗(yàn)室成立了專用飛行控制芯片設(shè)

2、計(jì)小組，而本文通過(guò)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的研究與分析，設(shè)計(jì)了該芯片中姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、GPS數(shù)據(jù)解碼模塊、遙控舵機(jī)系統(tǒng)控制模塊等關(guān)鍵模塊，實(shí)現(xiàn)了外設(shè)與控制芯片的數(shù)據(jù)通信、傳感器數(shù)據(jù)的濾波與校準(zhǔn)、外設(shè)的智能控制。
　　姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)處理模塊：通過(guò)分析系統(tǒng)中陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)的采集數(shù)據(jù)，得出三個(gè)傳感器的輸入數(shù)據(jù)存在隨機(jī)漂移誤差，陀螺儀和磁力計(jì)有較大的零位偏移。根據(jù)姿態(tài)解算要求，采用平滑濾波消除三個(gè)傳感器的隨機(jī)漂移，均值法估算陀

3、螺儀的零位偏移，橢圓擬合法校準(zhǔn)磁力計(jì)，二階溫度補(bǔ)償法校準(zhǔn)氣壓計(jì)的偏差；建立數(shù)據(jù)的自動(dòng)刷新、串行處理、同步輸出方案。設(shè)計(jì)各算法的硬件電路和I2C、SPI等基本通信接口電路，通過(guò)基于ZYNQ7Z020的板級(jí)驗(yàn)證，得出接口的數(shù)據(jù)采集和處理速率相比軟件提高了51.6％。
　　GPS數(shù)據(jù)解碼模塊：設(shè)計(jì)GPS模塊的UART通信接口電路；根據(jù)NMEA協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式，將數(shù)據(jù)信息分為三類，并建立相應(yīng)的解碼方案；采用五級(jí)硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)解碼方案，同時(shí)設(shè)

4、計(jì)同步輸出校驗(yàn)和電路；通過(guò)軟件仿真和板級(jí)驗(yàn)證得出電路功能正確，且相對(duì)于軟件解碼可做到高頻實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)。
　　遙控舵機(jī)系統(tǒng)控制模塊：利用示波器采集接收機(jī)的PWM信號(hào)，分析信號(hào)中包含的毛刺和噪聲，并根據(jù)PID對(duì)輸入通道數(shù)據(jù)的處理要求設(shè)計(jì)了遙控器接收模塊；根據(jù)無(wú)人機(jī)飛行模式，對(duì)通道值進(jìn)行編碼，包含電機(jī)調(diào)試、鎖定、正常飛行三個(gè)模式；根據(jù)無(wú)人機(jī)的工作模式和PID輸出值與電機(jī)通道值的轉(zhuǎn)換關(guān)系，設(shè)計(jì)電調(diào)的智能控制模塊?；赯YNQ7Z020搭建