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基于CAN总线的小型飞行控制系统硬件设计与实现

作　者: 米毅
导　师: 李春涛
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 无人机飞行控制系统 CAN总线双处理器 PWM
分类号: V249.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 75次
引　用: 2次
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内容摘要

本文设计开发了基于CAN总线的小型无人机飞行控制系统,目标是为综合验证总线式飞行控制技术、系统余度管理技术、实时航路规划功能和复杂航路的制导技术等高级飞行控制技术,提供硬件演示验证平台。首先,采取模块化设计思想,提出了基于CAN总线的小型飞行控制系统的硬件总体设计方案。该方案将飞行控制系统划分为五个模块,提高系统灵活性,减小了模块间的耦合性,同时满足了小型化和低成本的需要。其次,详细设计了基于双CPU架构的主控制模块。双CPU同步执行各自任务,通过双口RAM实现数据共享和交换,保证了系统实时性和主从CPU的模块互备份功能,为主从负担式余度飞行控制软件设计奠定了硬件基础。另外针对存储器和串口资源不足的情况,完成了存储器扩展电路和多串口电路设计。再次,设计了PWM波形输出精度可调的多路舵机控制器模块。通过单独供电、光耦隔离等措施有效减小了舵机输出信号间的相互干扰,实现了的多路舵机的高精度控制。然后,根据系统各模块供电需求,给出了详细的电源分配方案,并分级进行电路设计。应用电源层和地层分割技术,降低了系统电磁干扰,进一步提高了系统工作的稳定性和可靠性。最后,在飞行控制系统半物理仿真条件下,对小型飞行控制系统功能和性能进行了综合测试。结果验证了系统方案的正确性、可行性和实用性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-14
第一章绪论  14-21
  1.1 引言  14
  1.2 飞行控制系统发展和研究现状  14-17
  1.3 本文的研究背景  17-18
  1.4 小型飞行控制系统硬件结构  18-19
  1.5 本文的主要研究内容及安排  19-21
第二章小型飞行控制系统硬件总体设计  21-29
  2.1 小型飞行控制系统的设计目标  21
  2.2 小型飞行控制系统硬件总体结构  21-27
    2.2.1 主控制模块  22-23
    2.2.2 舵机控制器模块  23-24
    2.2.3 传感器模块  24-25
    2.2.4 无线通信模块  25
    2.2.5 功能扩展模块  25-26
    2.2.6 系统供电  26-27
  2.3 飞行控制系统硬件设计的关键问题  27-28
    2.3.1 硬件资源的合理利用  27
    2.3.2 系统的抗干扰措施  27
    2.3.3 整机供电与功耗  27-28
  2.4 小结  28-29
第三章 CAN 总线研究  29-38
  3.1 系统总线方式比较  29-32
    3.1.1 并行总线与串行总线的比较  29
    3.1.2 常用串行总线的比较  29-32
  3.2 CAN 总线选择的依据  32-34
    3.2.1 总线选择原则  32-33
    3.2.2 CAN 总线数据流量考查  33-34
  3.3 CAN 总线特性分析  34-37
    3.3.1 CAN 分层结构  34-35
    3.3.2 CAN 信号传输方式  35
    3.3.3 CAN 仲裁技术  35-36
    3.3.4 CAN 错误检测  36-37
    3.3.5 CAN 总线的安全可靠性  37
  3.4 小结  37-38
第四章主控制模块硬件详细设计  38-50
  4.1 设计思想阐述  38-39
  4.2 嵌入式处理器的选择  39-40
  4.3 双CPU 方案设计  40-42
    4.3.1 双CPU 通信方式介绍  40
    4.3.2 双CPU 通信方式的选定  40-42
  4.4 存储器扩展  42-44
    4.4.1 LPC2294 存储器资源  42-43
    4.4.2 存储器扩展  43-44
    4.4.3 存储器扩展时的地址线连接  44
  4.5 多串口电路设计  44-46
    4.5.1 串口资源需求分析  45
    4.5.2 常用多串行口设计方法介绍  45-46
    4.5.3 串口扩展电路  46
  4.6 主控制模块总体结构和调试  46-49
  4.7 小结  49-50
第五章舵机控制器模块详细设计  50-61
  5.1 舵机的控制方法  50-51
  5.2 舵机控制器的硬件设计  51-56
    5.2.1 舵机控制器硬件电路的设计  51-52
    5.2.2 实现多路PWM 信号的原理  52-54
    5.2.3 舵机控制器CAN 节点的设计  54-56
  5.3 舵机控制器的软件设计  56-59
    5.3.1 CAN 总线通信程序设计  56-57
    5.3.2 PWM 脉宽生成程序设计  57-59
    5.3.3 多路PWM 输出程序设计  59
  5.4 调试结果  59-60
  5.5 小结  60-61
第六章电源模块设计  61-67
  6.1 系统供电需求分析  61-62
  6.2 稳压器介绍  62-63
  6.3 设计末级电源电路  63-64
  6.4 设计前级电源电路  64
  6.5 电源PCB 设计  64-66
    6.5.1 供电系统  64-65
    6.5.2 接地系统  65
    6.5.3 PCB 板设计  65-66
  6.6 小结  66-67
第七章测试和结果分析  67-75
  7.1 测试目的  67
  7.2 小型飞行控制系统硬件参数  67-68
  7.3 CAN 总线满负载运行测试  68-70
    7.3.1 测试方案  68-69
    7.3.2 测试结果  69-70
  7.4 半物理仿真功能测试  70-74
  7.5 小结  74-75
第八章总结与展望  75-77
  8.1 本文的主要工作和贡献  75
  8.2 本文的不足之处  75-76
  8.3 后续工作展望  76-77
参考文献  77-80
致谢  80-81
在学期间的研究成果及发表的学术论文  81

基于CAN总线的小型飞行控制系统硬件设计与实现

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