无人机飞行控制系统设计
[摘要] 随着世界科技的进步, 计算机技术日新月异, 人工智能、 云计算已经得以实现, 智能化、 信息化和自动化的时代已经到来, 无人飞机就是新科技下的产儿。 无人机能有效的 利用人工智能、 自动驾驶和信号处理等高精尖核心技术, 由于其体积小、 航程远及无人驾驶 等优势,现在广泛应用到军事领域,用于侦查、干扰,战场目标摧毁等,效果极佳,受到各 国军事管理部门的重视。本文就无人机发展的现状及其未来可能出现的发展趋势进行研究, 尝试解开无人机的面纱,让更多的人了解无人机。
进入21世纪以来，在军事和民用需求的牵引下，世界无人机的发展正呈现井喷之势。同时，也极大地推动了飞行器自动飞行技术的发展。制导、导航与控制是支撑飞行器自动飞行的核心技术，也是保证飞行器安全高效完成任务的关键技术。无人机作为一种新型的飞行器，具有鲜明的“机上无人，人在回路”的系统特点。同时，随着无人机作战飞机、临近空间无人机、空天无人机和各种先进的民用无人机的快速发展，无人机应用更加强调智能和协同。无人机系统的这些新特性，正在极大地丰富、拓展着飞行器制导控制理论与技术的内涵和外延。
关键词：无人机、技术
[Abstract] With the progress of the world's science and technology, computer technology, artificial intelligence, cloud computing has been achieved, intelligent, information and automation of the era has come, unmanned aircraft is a new technology under the child. Unmanned function effective use of artificial intelligence, automatic driving and signal processing and other sophisticated core technology, because of its small size, distance and unmanned driving advantages, now widely used in the military field, for detection, interference, battlefield target destruction, the effect is excellent, by the National Military Management Department's attention. In this paper, the status of UAV development and future development trends to study, try to unlock the veil of the UAV, so that more people understand the UAV. Since entering the 21st century, under the traction of military and civilian demand, the development of the world UAV is showing a blowout trend. At the same time, it has also greatly promoted the development of aircraft automatic flight technology. Guidance, navigation and control are the core techniques to support the automatic flight of aircraft, and are the key technologies to ensure the safety and efficiency of the spacecraft. UAV as a new type of aircraft, with a distinctive "on the machine, people in the loop" system characteristics. At the same time, with the rapid development of UAV combat aircraft, near space unmanned aerial vehicle, empty Sky UAV and various advanced civil UAV, the UAV application emphasizes intelligence and synergy. These new characteristics of UAV system are enriching and expanding the intension and extension of guidance and control theory and technology of Aerocraft.
一绪论
1.1无人机的研究意义
如今，随着信息技术和电子技术的飞速发展，航空领域也在此带动下得到了快速的发展，无人机也成为了各国研究的热点。
无人机种类繁多，不同无人机可以完成不同的任务，可以用于军事，也可以用于民用。在军用领域可用于战术侦察和地域监视、目标定位和火炮校射、电子侦察和电子干扰、通信中继转发、靶机和实施攻击等。在民用领域可完成地图测绘、地质勘测、灾害监测、气象探测、空中交通管制、边境巡逻监控、通信中继、农药喷洒等。和有人飞机相比，无人机无人员伤亡风险，适应更加恶劣的飞行环境，且成本低的优势。因此无人机在未来将占有很重要的地位，且具有非常重要的研究意义。
1.2无人机的国内外研究状况
1.2.1国内无人机发展现状
我国对无人机的研究和许多发达国家相比是起步较晚的，从上世纪70年代开始，我国终于可以有能力自主研制无人侦察机，到80年代初，部队中终于有了无人侦察机机。改革开放以来，无人机在民用领域探索就没有停止过，在各行各界相关人员经过多年的日夜努力，从无到有逐步成为我国经济发展的一环。至今年，我国拥有三百多家从事无人机行业的单位，有一百六十家无人机单位能自主研发、制造、销售。据相关研究报告表明，超过一百多种无人机已经投入各个不同领域使用，微型无人机技术得到进一步完善，军用无人机多次成功的试射空对地导弹。我国在2014年无人机销售量2万架左右。未来几年仍会保持百分之五十以上的增长率， 2014年，我国民用无人机销售总额已经超过40亿元。至2020年，我国无人机销售额预计超过200亿元。从2002年值2015年7月，国内与无人机相关的专利申请共有15 245件，其中，新型专利占比37.48%，发明型技术专利占57.39%，外观专利占比5.13%。
1.2.2国外无人机发展现状
美国国家航空航天局(NASA)近几年新成立了一个无人机应用中心，该应用中心专门开展无人机的各种民用研究，它同美国海洋与大气局(NOAA)合作利用无人机实现对天气预报、地球变暖和冰川消融等各种环境问题的研究。早在2007年，美国发生森林大火，美国宇航局使用“伊哈纳(Ikhana)”的无人机来评估大火的严重程度以及灾害的损失估算工作。“伊哈纳”无人机是由军用无人机“捕食者”改造而成，这种无人机和全球鹰无人机相比要稍小一些，其翼展宽为20米，最高巡航高度可达1.2万米。其主要功能是对环境的监测。
在美国，无人机已在各行各业中发挥着其巨大的作用。NASA将一些原本用于战场高空无人机通过改装，来实现对热带风暴龙卷风等自然灾害的研究和监视，来减少经济损失和人员伤亡。另外，在美国，无人机还可以实现土地管理和保护野生动物的监测等领域
以色列是全球中最先进的无人机研发、设计、制造的国家之一。以色列仓库里了一个民用无人机及其工作模式的试验委员会，埃尔比特系统公的赫尔穆斯450无人机最先完成设定程序并在2007年率先得到无人机民用证书。2008年，以色列飞机工业公司马拉特子公司的中高空长航时“苍鹭”无人机取得了在以色列空域中执行非军事任务的证书，此后有关部门合作进行了多种民用任务的试验飞行。
A-03 Nart是由俄罗斯Antigrad Air公司研发的多用途无人机。该无人机即可以实现对灾难性天气的预防，也可以在干旱地区实现人工降雨，还可以监控主干道车流量以及违章车辆的拍摄。该机几何及性能参数如下：全长5.2m，翼展9.0m，最大起飞重量1100kg，驱动力2台PD-317螺旋桨发动机，最大速度450km/h，续航时间50小时，最高高度8000m，远程控制，包括自动化系统监控和气象局监控站，通过固定发射架或者卡车一定弹射架升空。可以装载MITS的多功能信息传输系统。按需求也可以广泛运用在执法部门。
欧洲2006年制定并立刻多方集资付诸实施“民用无人机发展路线图”，首期跨度为6年。“路线图”预计民用无人机市场从2010年开始迅猛发展，已突破1亿欧元大关，到2015年将上升到2.7亿欧元，其中地球观测约占市场的3.7%，通信与海上监视各占市场的13%，森林防火与灭火市场份额约12%，治安执法占3%。欧盟打算成立一个泛欧民用无人机协调组织，主要职责是市场评估、技术监视、空域管制、适航安全、标准制定、通用接口、成本控制等方面的试验研究。为解决最关键的空中安全与适航问题。荷兰已开始在非隔离空域进行“探测与回避”系统的研究与试验。
日本目前是农用无人机喷药第一大国，已注册的无人机将近三千多架，操作人员超过人员超过一万五千多人。
目前民用无人机的发展方向有警用、巡线、农林植保、航拍、快递和科研。因消费市场对无人机需要种类繁多，今后多年无人机市场将会迎来快速的增长。预计未来，民用无人机会朝着智能化、安全化、多功能化的方向发展。
1.3本文主要研究内容
本文主要包括七章内容：
第一章是绪论部分，主要介绍无人机研究的意义、国内外研究现状以及本文主要研究内容。
第二章给出无人机飞控系统各模块设计的要求以及总体设计的框架及框架图，为后文研究提供基础。
第三章对飞控系统各模块的硬件进行设计。
第四章完成飞控系统各模块的软件设计。
第五章为课题总结。
第六章致谢。
目录
一绪论 3
1.1无人机的研究意义 3
1.2无人机的国内外研究状况 3
1.2.1国内无人机发展现状 3
1.2.2国外无人机发展现状 3
1.3本文主要研究内容 5
第二章 、无人机的总体设计 5
2.1无人机的设计要求 5
2.2飞行控制系统总体组成及框架图 6
第三章 飞控系统硬件设计 7
3.1 STM32F103微控制器 7
3.2传感器模块设计 8
3.2.1加速度计 8
3.2.2磁力计 10
3.2.3高度传感器 12
3.3PWM模块 15
3.4电源系统设计 17
3.5蓝牙/安卓遥控硬件设计 18
第四章 无人机飞控系统的软件设计 20
4.1软件开发环境简介 20
4.2高度测量模块数据采集 20
4.3磁航向传感器地址采集 23
4.4传感器的数据处理 27
4.5安卓遥控器的开发 27
第五章总结 30
致谢 31
参考文献
【1】黄和悦.IY四轴飞行器基于MSP430F5系列单片机与Android.北京：电子工业出版社，2015。
【2】林庆峰，谌利.奚海蛟.多旋翼无人机飞行器嵌入式飞控开发指南.北京：清华大学出版社，2017。
【3】于坤林，陈文贵.无人机结构与系统.西安：西北工业大学出版社，2016。
【4】郝英好，严晓芳，等.无人机发张概览.北京:国防工业出版社,2017。
【5】吴勇，罗国富，刘旭辉，周定江，肖松，杨松和.四轴飞行器DIY——基于STM32微控制器.北京:北京航空航天大学出版社,2016.
