基于DSP的太阳能飞艇飞控系统研究

【摘要】：目前，飞艇的研发逐渐成为飞行器发展中一个重要的发展趋势。飞控系统是维持飞艇正常工作的重要组成部分，用来对飞艇的飞行进行有效地控制和管理；太阳能电池则是维持飞艇正常飞行的动力组成部分，太阳能能够为飞艇的巡航飞行提供源源不断的清洁能源。 太阳能飞艇飞控系统主要包括3个部分：飞控计算机子系统、传感器子系统、伺服作动子系统。飞控计算机子系统的核心处理器采用TI公司的TMS320F2812DSP处理芯片，并与SRAM、FLASH存储器和电源电路系统组成了飞控系统计算机子系统，飞控计算机子系统可以把传感器采集到的重要数据存储于SRAM和FLASH存储器做为备用数据；传感器子系统主要包括差分GPS、高度计与超声波传感器、捷联惯导模块、温度与气压传感器等。通过分析和处理各传感器采集到的数据，控制飞艇的飞行姿态和飞行高度，使飞艇处于正常的自主飞行状态；伺服作动子系统主要为舵机，分析舵机工作原理,完成舵机驱动电路，实现对舵机的有效控制。 由于净升力以及大气紊流对飞艇的飞行特性影响比较大，所以对净升力与大气紊流的研究也是飞艇研究的一个重要方面。净升力研究主要是研究净升力与飞行高度、大气气压等因素之间的关系，总结出净升力不会随海拔高度变化，与飞艇气囊体积成近似线性递增关系，与压力高度成近似线性递减的关系。通过对飞艇净升力的研究可以更好地实现对飞艇飞行姿态的控制。大气紊流主要是研究大气紊流的形成、模型以及大气紊流对飞艇飞行特性的影响。 能源管理系统的研究是太阳能飞艇研究的重要方面，只有对能源分配与管理进行优化分析，才能更有效地发挥太阳能能量的功效。能源管理系统的研究首先介绍飞艇能源管理系统的组成部分以及它们彼此之间的关系，分析太阳能电池模型，分析太阳能阵列以及影响太阳能能量的主要因素，最后分析太阳能电池与锂电池之间的能量分配与管理。 【关键词】：飞艇 飞控系统 太阳能 净升力 大气紊流
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：V249.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-6
• 目录6-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 飞艇简介9
• 1.2 国内外飞艇发展研究现状9-11
• 1.2.1 飞艇国外发展现状10-11
• 1.2.2 飞艇国内发展现状11
• 1.3 飞艇的发展趋势11-12
• 1.4 论文研究内容及章节安排12-13
• 1.4.1 主要研究内容12
• 1.4.2 论文结构安排12-13
• 第2章 飞控系统的硬件设计13-36
• 2.1 飞控系统总体设计13-16
• 2.1.1 飞控系统原理13-14
• 2.1.2 飞控系统主要功能14-15
• 2.1.3 飞控系统组成15-16
• 2.2 DSP 芯片介绍16-17
• 2.3 外扩存储器17-18
• 2.4 捷联惯性导航模块18-22
• 2.4.1 三轴加速度计模块18-20
• 2.4.2 角速率陀螺模块20-22
• 2.4.3 捷联惯导电路22
• 2.5 差分 GPS 电路设计22-26
• 2.5.1 GPS 接收机介绍22-23
• 2.5.2 GPS 接口通信23-24
• 2.5.3 无线传输模块介绍24-25
• 2.5.4 差分 GPS 模块工作原理25-26
• 2.6 气压高度计的硬件设计26-28
• 2.6.1 硬件结构框架26
• 2.6.2 MS5534B 与 MCU 的电路设计26-28
• 2.7 气压传感器硬件设计28-29
• 2.8 温度传感器硬件设计29-31
• 2.8.1 温度传感器的特性30
• 2.8.2 温度传感器采集30-31
• 2.9 超声波传感器硬件设计31-32
• 2.9.1 超声波传感器的特性与工作原理31
• 2.9.2 超声波传感器工作电路31-32
• 2.10 舵机与电动机驱动设计32-33
• 2.11 电源系统设计33-35
• 2.12 本章小结35-36
• 第3章 飞控系统的软件设计36-54
• 3.1 飞控系统软件总体设计36-37
• 3.2 捷联惯导模块程序37-43
• 3.2.1 三轴加速度计 ADXL345 驱动程序37-38
• 3.2.2 角速率陀螺 ADIS16080 驱动程序38-40
• 3.2.3 捷联惯导算法40-43
• 3.3 差分 GPS 模块程序43-47
• 3.3.1 GPS 信息格式43-45
• 3.3.2 GPS 定位功能检测45-46
• 3.3.3 差分 GPS 功能程序46-47
• 3.4 PWM 波驱动电机模块程序47-49
• 3.5 FLASH 和 RAM 存储器模块49
• 3.6 温度传感器读取温度程序49-51
• 3.7 气压高度计与超声波传感器测高模块程序51-52
• 3.8 气压传感器模块程序52-53
• 3.9 本章小结53-54
• 第4章 对流层净升力与大气紊流研究54-63
• 4.1 对流层与净升力概要54-55
• 4.2 净升力计算前提条件55
• 4.3 大气压强、密度和温度计算55-56
• 4.3.1 标准大气下的压强、温度、密度55-56
• 4.3.2 非标准大气下的压强、温度、密度56
• 4.4 对流层飞艇静升力建模56-58
• 4.5 仿真结果58-59
• 4.5.1 净升力与飞艇飞行高度的变化关系58
• 4.5.2 净升力与飞艇气囊体积的变化关系58-59
• 4.6 大气紊流59-62
• 4.6.1 大气紊流的形成60
• 4.6.2 大气紊流模型60-61
• 4.6.3 大气紊流对飞艇纵向运动特性的影响61-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第5章 飞艇能源系统63-72
• 5.1 飞艇的能源动力系统63-66
• 5.1.1 能源动力系统的组成63-65
• 5.1.2 能源系统之间相互关系65-66
• 5.2 太阳能阵列控制66-69
• 5.2.1 太阳能电池模型66-67
• 5.2.2 太阳能板向日自动跟踪控制与设计67-69
• 5.3 太阳能能源管理与分配69-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第6章 总结与展望72-74
• 6.1 总结72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士期间发表论文情况77-78
• 致谢78-79
• 附录79-81

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