基于ARM11+CPLD的小型无人机飞行控制器设计

本文设计了PID控制器实现姿态控制,而俯仰角由姿态传感器ADIS16365测量并经姿态计算而得。ADIS16365测量的是机体坐标系下的数值,而要表达机体相对于参考坐标系的姿态,需进行姿态计算。姿态计算以角速度测量值和运载体的初始条件为输入,姿态计算后,输出飞机的姿态信息和比力坐标变换所需的姿态矩阵。在姿态计算过程中,因四元数法在实际求解中需更新的参数少、精度较高的特点,本文采用四元数法求解。
载体坐标系中的矢量在参考坐标系的表示可通过式(1)计算出:
(4)


是由其在载体坐标系的对应各轴的角速率分量构成,由姿态传感器ADIS16365测得。本文采用四阶龙格库塔法解(3)式。的求解,构建了姿态矩阵 ,再根据(8),(9),(10)求解俯仰角 、横滚角、偏航角 ,即获得机体的姿态。

基于姿态数据及各轴角速率,PID控制器的输出由(11)式计算[6][7]:

K为采样序号、为第k次控制输出值、为第k次采样输入偏差、为前次采样输入偏差、积分系数、微分系数,为比例系数。
4 系统测试
基于上述设计方案研制的飞行控制器主板如图7所示,安装于测试飞机如图9所示。

本文在某校园区进行多次飞行测试,飞行的航线如图9所示,航线由16个航点构成,航点高度都为300米,航线总长度为8.57公里。无飞机的实际飞行航迹如图9中蓝色线条所示,本次测试从进入航线开始到航线结束共自主飞行了18分钟,姿态稳定,最大偏航距≤15米。

试飞测试的任务载荷为航拍相机,CPLD每4秒输出一拍照脉冲,航拍图片如12所示。

5 结束语
本文阐述基于ARM11+CPLD飞行控制器的构建, ARM11的高速处理能力,使得系统的实时性高,系统飞行更加稳定,且接口丰富,利于功能扩展;CPLD在飞控系统中一方面起到扩充MCU IO口的作用,另一方面提高了系统的实时性。在此飞控主板上,本文实现了导航、姿态、任务等功能模块,飞行测试结果理想。

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