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如何使用STM32单片机进行无人机飞行控制系统设计
林钟忠123
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本文从工程应用出发，将航模固定翼飞机作为研究平台，在总结国内外微小型无人机飞行控制系统设计的基础上，提出了低成本飞行控制系统设计方案。
首先，提出飞行控制系统总体方案，对硬件系统进行了详细设计。无人机硬件系统总体分为两个部分：机载飞控系统和地面测控系统，其中机载飞控系统以 STM32 微控制器为核心，集成了数据采集系统、GPS 模块、遥控解码模块、舵机驱动模块、数传电台和电源模块；地面测控系统包括测控计算机、数传电台、地面站软件、发射机等。
其次，对无人机捷联导航算法进行了研究。捷联导航算法用于无人机姿态、速度、位置等信息的滤波解算，是解决无人机飞行状态准确测量的关键技术之一。本文设计了基于误差四元数的姿态卡尔曼滤波算法；同时考虑在大机动情况下，刚体加速度的影响，采用组合滤波的方法，提高姿态解算的精度，并进行了仿真验证；通过引入 GPS 的速度和位置量测信息，分别设计了速度、位置卡尔曼滤波器。
然后，建立了无人机的飞行动力学模型。基于该模型采用 PID 控制方法对无人机纵向、横侧向控制回路控制律进行设计；同时对无人机的自主飞行进行研究，给出了直线自主飞行和圆周自主飞行制导参数的计算方法，并设计了相应的控制律；之后进行了仿真，验证了所设计的控制律。
最后，展开无人机的试验研究，验证了飞行控制系统硬件与捷联导航算法的可靠性和可行性。
无人机是一种由动力驱动、无人驾驶、可重复使用的航空器的简称。在军事上，因为具有零伤亡、战场生存能力强等特点，非常适合执行高危险或人类无法参与的任务；在民用上，它也完全可以代替有人机完成一些任务，如救援搜索、灾情监测、气象探测等。微小型无人机具有隐蔽性强、机动灵活、制造成本低等特点，但由于微小型无人机本身有限的负载能力和体积限制，现有的一些导航和飞行控制系统很难直接在微小型无人机上使用，所以对微小型无人机的嵌入式飞行控制系统进行研究工程意义重大。随着微机械传感技术、全球卫星导航技术、自动控制技术、通信技术的不断发展，无人机已经逐渐进入实用阶段。在军事上无人机已经从单纯的空中侦察到现在的空中监控、导弹攻击、火力制导、通信中继、边界巡逻、甚至战斗任务中都发挥了重要的作用，取得了良好的军事效益，各个国家都给予了相当程度的关注。在民用和警用领域，无人机同样发挥着重要的作用。无人机在航空摄影、地理测绘、遥测遥感、大气监测、环境保护、资源勘探、通信中继、电力巡线、农药喷洒等领域也完全可以替代有人机，具有光明的应用前景。目前，无人机飞行控制系统仍属于国际前沿技术，因为其军事运用价值显著，有必要自主创新，研制具有自主知识产权的无人机飞行控制系统。
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