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无人直升机自主飞行控制系统设计与工程实现

摘要：无人直升机因造价低、效益好、无人员伤亡、使用灵活等特点，广泛应

用于军事、民用以及科研领域。但无人直升机有着操纵响应迟缓、稳定性差、通

道耦合严重等缺点，尤其是在悬停小速度段不稳定性更为明显，再加上飞行模态

众多，因此对无人直升机飞行控制系统有着很高的要求。无人直升机自主飞行控

制技术涉及多学科交叉技术，具有极大的研究价值。另外，无人机自主飞行控制

技术是编队飞行控制技术的基础，只有实现良好的自主飞行性能，才能实现多机

编队飞行。因此无人直升机自主飞行控制技术研究是具有十分重要的意义。

关键词：无人直升机；自主飞行控制；系统设计；工程实现

无人直升机自主飞行控制系统1概述

飞行控制系统包含飞行控制器硬件、软件及算法设计；飞行地面站包含硬件

平台和软件设计两部分；数据链路通信系统由物理线路、软件通信协议和通信拓

扑结构构成。无人直升机飞行控制系统是自主飞行控制系统的载体，是自主飞行

控制系统的执行层。飞行地面站系统是自主飞行控制系统的控制指令生成及发送

终端，是自主飞行控制系统的决策层。数据链路通信系统是飞行控制系统和地面

站系统的信息交互桥梁，是自主飞行控制系统的数据交互层。地面站系统通过无

线数据链路向无人直升机飞行控制系统发送航点等飞行指令，无人直升机飞行控

制系统收到指令后，运行控制算法按照指定路线飞行，同时与地面站保持实时通

信，地面站软件实时显示无人直升机飞行轨迹并可以随时改变其飞行轨迹，由此

形成了本文无人直升机自主飞行控制系统基本逻辑。

无人直升机飞行控制2器设计

飞行控制2.1器总体设计

无人直升机飞行控制器总体设计包含硬件和软件两大部分。控制器硬件部分

由内置主控电路、传感器电路、输入输出电路设计、外置硬件选型及无线数传设

备等部分组成。软件设计由飞行控制、传感器数据融合、无线数据通信与解析、

任务管理、舵机驱动等模块构成。底层硬件为上层软件提供数据来源及硬件基础，

上层硬件为底层硬件提供数据驱动，底层硬件和上层软件有机地结合，构成了一

个完整的无人直升机自主飞行控制器系统。

飞行控制2.2器硬件设计

飞行控制器的硬件架构分为内置硬件和外置硬件，图中细线框表示内置硬件，

粗线框表示外置硬件。内置硬件包括惯性测量传感器、微控制器以及各种接口，

外接硬件包括GPS模块、电子调速器（ESC）、遥控器接收机、蜂鸣器安全开关

以及无线数传。本文飞行控制器内置硬件的主处理器采用168MHzCortexM4外加

FPU浮点运算核心的STM32F427微控制器,主要用于传感器数据读取、运行姿态

解算位置估计以及控制导航算法。内置硬件集成了多冗余IMU设计，包含三轴

14位加速度计、三轴16陀螺仪、MS5611气压计、电子罗盘，支持多传感器数据

融合，保证了数据的真实准确性。内置硬件也预留了丰富的扩展口，14个PWM

舵机电调输出接口、5个UART串口，支持S.BUS协议输入输出，此外还具有强大

的综合供电系统，支持冗余供电输入，所有的输入均具备过流保护以及输入防静

电。

飞行控制2.3器软件设计

本文无人直升机控制器软件采用模块化设计，主要有遥控器信号处理、控制

率运算、传感器数据读取、电机输出、飞行任务管理及数据管理六大模块。本文

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飞行控制器软件采用裸机单线程前后台程序设计方法，即通过STM32定时器TIM

定时1ms作为程序定时任务的节拍，然后在main()主循环中根据节拍计数循环执