基于FPGA的四轴飞行器冗余控制系统设计与自适应抗扰算法

本篇论文主要探讨了基于FPGA（现场可编程门阵列）的四轴飞行器飞行控制系统设计，由徐亚妮、罗文广和张亮三位作者共同完成，他们在广西科技大学电气与信息工程学院进行研究。该系统旨在提高四轴飞行器的稳定性和安全性，特别是在关键组件出现故障时提供冗余保障。 首先，作者提出了一种基于NIOSII的飞行控制系统，NIOSII是一种嵌入式软核处理器，允许在FPGA上运行定制的实时操作系统。通过使用多核设计，他们构建了一个能够在飞行器控制系统中处理复杂任务的平台，这有助于降低功耗、提升数据处理能力和集成度，符合当前四轴飞行控制系统的发展趋势。 文章的重点在于设计了冗余控制功能，当系统中的一个或多个模块出现故障时，其他备用模块能够接管，通过调用多个NIOSII软核和Altera自带的IP核，以及配合外围硬件电路，确保飞行器不会因单点故障而坠毁，显著增强了飞行器的安全性。 针对四轴飞行器容易受到外部环境干扰的问题，作者还开发了一种自抗扰控制算法。这种算法与传统的串级PID控制器进行了对比，结果显示自抗扰控制在实现飞行器姿态控制方面更为有效，具有更强的鲁棒性，即使在面对风力等外部干扰时也能保持稳定的飞行性能。 然而，论文也指出，尽管现有的研究在提高飞行器稳定性方面取得了一些进展，如PID控制和自适应UKF航姿系统的应用，但仍存在一些局限，比如硬件改进效果不明显、自适应算法收敛速度较慢以及对飞行器模型精确度要求高等问题。本文的解决方案通过采用NIOSII的多核技术，试图克服这些挑战，为四轴飞行器提供更为可靠和稳定的控制环境。 这篇论文通过创新的FPGA技术和冗余控制系统设计，为四轴飞行器的稳定性和安全性提供了新的解决方案，同时也推动了飞行控制系统在高集成度、低功耗方面的技术进步。其研究成果对于推动无人机技术在工业、农业、军事等领域应用具有重要意义。