小型固定翼无人机与常规的固定翼无人机相比,具有成本低、重量轻、体积小、操作方便等优点,应用前景广阔。飞行控制系统是小型无人机的核心部分,是无人机的“大脑”。所以,飞控系统的研究是小型无人机技术研究中的重点,对小型无人机的发展具有重要意义。本课题根据小型固定翼无人机的特点,研究并设计针对微、小型固定翼无人机的体积小、功耗低、低成本、高集成度的小型固定翼无人机飞控系统,为实验室提供稳定可靠的飞控平台,以验证高级飞行控制技术、实时航迹规划等无人机相关技术,因此具有理论研究意义和工程应用价值。本论文的主要工作如下:1.设计基于互补滤波器的姿态估计算法。姿态估计算法输出无人机的姿态角信息,负责为无人机控制律提供所必须的控制信息(姿态角)。针对嵌入式微处理器的有限运算能力的特点,本文采用基于互补滤波器的姿态估计算法,实现长时间稳定输出无人机姿态信息。2.飞控系统硬件平台模块分析与选型。硬件平台主控部分采用以ARM嵌入式微处理器,减小系统的体积和功耗;传感器部分,采用基于MEMS技术的惯导传感器,降低系统的成本和质量;电源部分,对数字器件和模拟器件分开供电,减小数字、模拟信号串扰,并对舵机模块单独供电,避免舵机对系统产生干扰。3.基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统的飞控软件设计。实时性是飞控系统的重要指标。随着飞控系统的设计越来越复杂,传统的嵌入式飞控开发难以保证系统的实时性和可靠性,软件可扩展性、可维护性较差。本系统采用基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统的飞控软件设计,将飞控软件分解成多个任务,简化了飞控应用软件的设计,同时,系统的实时性得到保证,系统更加健壮、可靠、高效。4.设计基于控制模态的控制律任务。由于控制律任务控制逻辑复杂,造成实现困难并且容易出错。本文在控制律任务设计中,将无人机的控制过程抽象为数个控制模态,每个控制模态采用相应的控制律,简化系统控制逻辑,减小任务实现难度,具有良好的可拓展性,以便满足后期相关控制律的扩展需求。本文设计的飞控系统,在硬件方面,满足成本低、体积小的要求;在软件方面,为验证系统设计的正确性本文对飞控系统进行综合测试,结果表明,系统的实时性良好,飞控系统的飞行模式、控制模态设计正确。