四旋翼飛行器

1、武漢紡織大學2014屆畢業(yè)設計論文武漢紡織大學畢業(yè)設計（論文）任務書 課題名稱：四旋翼飛行器的研究與設計 完成期限： 2014年3月1日至2014年6月6日 院系名稱 電子與電子工程學院 指導教師 田?？祵I(yè)班級 電氣102 指導教師職稱 講師 學生姓名 喻威 院系畢業(yè)設計（論文）工作領導小組組長簽字 一、課題訓練內容1. 使學生進一步鞏固和加深對基礎理論、基本技能和專業(yè)知識的認識與掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。2. 培養(yǎng)學生綜合運用基礎知識和基本技能進行分析問題和解決實際問題的能力，將理論與實踐結合。3. 培養(yǎng)學生的設計計算、工程繪圖、實驗方法、數據處理、文件編輯、文字表達、文獻查閱、Micro

2、soft Office、Cadence、Altium Designer、Keil MDK、Quartus II等專業(yè)軟件應用和程序調試等基本實踐能力，以及外文資料的閱讀和翻譯的基本技能，使學生初步掌握科學研究的基本方法。4. 熟悉PCB制版的流程和方法.5. 培養(yǎng)學生利用單片機進行應用系統(tǒng)開發(fā)的能力，掌握單片機最小系統(tǒng)設計的一般方法和步驟。熟悉和掌握復雜系統(tǒng)的調試方法以及系統(tǒng)設計，了解慣性導航知識、自動控制、無線遙測的相關理論。6. 培養(yǎng)學生的學習能力和動手能力，以及與他們合作、交流的能力。7. 使學生樹立符合國情和生產實際的正確設計思想和觀點，培養(yǎng)嚴謹、負責、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索、具

3、有創(chuàng)新意識、善于與他人合作的工作作風。8. 使學生獲得從事科研工作的初步訓練，培養(yǎng)學生獨立工作、獨立思考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)學生獨立獲取新知識的能力。武漢紡織大學2010屆畢業(yè)設計（論文）二、設計（論文）任務和要求1、設計任務1) 以ATmega2560為核心，設計一個MCU的最小系統(tǒng)，并在此基礎上通過編寫C程序進行系統(tǒng)的開發(fā)。2) 能夠實現(xiàn)SPI、IIC、UART總線上數據的接收和發(fā)送。3) 試用上位機，對數據進行圖形化的顯示和分析。4) 利用arduino軟件，用C程序編寫各功能模塊。2、設計要求1) 要求系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。2) 能夠實時讀取SPI、IIC、U

4、ART總線上數據。3) 完成飛行器姿態(tài)的解算。4) 完成系統(tǒng)框圖和詳細原理圖，并對各部分進行詳細說明。5) 設計要考慮經濟性、實用性和可靠性。6) 按武漢紡織大學畢業(yè)設計（論文）格式模板要求書寫畢業(yè)設計報告。三、畢業(yè)設計（論文）主要參數及主要參考資料1、主要設計參數1) 讀取各傳感器數據2) 解算出飛行器的當前姿態(tài)3) 系統(tǒng)主頻時鐘：16MHz4) 系統(tǒng)供電電壓：11.1V、5V、3.3V5) 功能擴展方便。2、主要參考資料1 M. Bendjedia, Y. Ait-Amirat, B .Walther, DSP Implementation of Rotot Position Detect

5、ion Method for Hybrid Stepper Motors, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006.2 C.A. Patel, S. K. Rao, A Testbed for Mini Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle with Protective Shroud Wichita State University, Wichita,Kansas. 3 M. Bendjedia, Y. Ait-Amirat, B .Walther, DSP Implementation of

6、Rotot Position Detection Method for Hybrid Stepper Motors, Power Electronics and Motion Control Conference, 2006.4 Lilly White Kirt, Lee Dah-Jye, TIPPETTS Beau, An embedded vision system for an unmanned four-rotor helicopter, Proceedings of SPIE,the International Society for Optical Engineering.5 Er

7、yk Brian Nice, Design of a Four Rotor Hovering Vehicle, A Thesis in partial fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science, Cornell University, May,2004.6 Richard K. Arning and Stefan Sassen. Flight Control of Micro Aerial Vehicles.In AIAA Guidance, Navigation, and Control Confe

8、rence and Exhibit, 2004.7 胡宇群，微型飛行器中的若干動力學問題研究，博士學位論文，南京航空航天大學，20028 李朝青.單片機原理及接口技術M.北京：北京航空航天大學出版社，2005.9 彭軍橋.四旋翼蝶形飛行器D;碩士學位論文,上海,上海大學,2001.10 GPS700 Ll/L2 Antennas, NovAtel Inc, 2004.11 Castillo P, Dzul A, Lozano R. Real-Time Stabilization and Tracking of a Four-Rotor Mini Rotorcraf, IEEE Transact

9、ions on Control Systems Technology, 2004, 12(4): 510-516. 12 文治洪，胡文東，李曉京等.基于PL2303的USB的接口設計J.電子設計工程， 2010.13 黃旭,王常虹,伊國興,等.利用磁力計及微機械加速計和陀螺儀的姿態(tài)估計擴展卡爾曼濾波器J.中國慣性技術學報.2005.13(2):27-30, 34.四、畢業(yè)設計（論文）進度表武漢紡織大學畢業(yè)設計（論文）進度表序號起止日期計劃完成內容實際完成情況檢查人簽名檢查日期2010.3.1-2010.3.5查閱資料，了解四旋翼飛行器的基本原理22010.3.6-2010.3.12確定方案，確

10、定系統(tǒng)框圖，進行可行性分析，進行方案改進。32010.3.13-2010.3.18完成開題報告。42010.3.19-2010.3.22確定設計中要用到芯片的型號52010.3.22-2010.3.31繪制電路原理圖，進行分析，替換不易購買的元器件，改正錯誤，改進不足，完善設計方案，確定最終的原理圖。62010.4.1-2010.4.7繪制PCB圖，并對所繪PCB進行查錯，確定無誤后送去加工。72010.4.8-2010.4.18完成樣板焊接及硬件檢測。82010.4.19-2010.4.25搜集編程相關資料和工具。92010.4.26-2010.5.12編寫和調試C程序。102010.5.1

11、3-2010.5.20系統(tǒng)的聯(lián)調112010.5.21-2010.5.26完成撰寫畢業(yè)論文所需工作，并制作PPT，準備答辯。注：1.本任務書一式兩份，一份院（系）留存，一份發(fā)給學生，任務完成后附在說明書內。2.“實際完成情況”和“檢查人簽名”由教師用筆填寫，其余各項均要求打印，打印字體和字號按照武漢紡織大學畢業(yè)設計（論文）規(guī)范執(zhí)行。56武漢紡織大學畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱四旋翼飛行器的研究與設計院系名稱電子與電氣工程學院專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級電氣102班學生姓名喻威一、課題研究的意義飛行器（UAV）是指自身具備動力裝置、不需要人工操控、可預設飛行的的飛行器；它利用空氣動力來抵消

12、自身的重量，可以實現(xiàn)自主飛行或者遙控飛行；依據機翼類型可分為固定翼飛行器和旋翼飛行器。隨著科學技術的不斷提高，飛行器得到了迅速的發(fā)展，其在軍事領域和民用方面都有著大量的應用，比如：應用于地面?zhèn)刹?、高空勘測、數據采集、通信中繼、災害救援等等，通過飛行器來完成上述的任務，不僅操作靈活，降低成本，還可以避免人員消耗。相對固定翼飛行器，旋翼飛行器的發(fā)展卻較為緩慢，這是因為旋翼飛行器的控制較固定翼復雜，早期的技術水平無法實現(xiàn)飛行器的自主飛行控制；然而，旋翼飛行器卻擁有其自身獨特的優(yōu)點：1）機械結構較為簡單，只需協(xié)調旋翼電機的轉速即可實現(xiàn)控制，飛行較為靈活；2）不受較大機翼的限制，能夠應用于各種環(huán)境中；3

13、）具備垂直起飛、自主起飛和降落的功能，系統(tǒng)高度智能，可以實現(xiàn)較多的飛行姿態(tài)，例如：垂直懸停、俯仰升降、偏航轉向等等，且飛行器姿態(tài)保持能力較高。這些優(yōu)勢也就決定了旋翼飛行器在未來將有著更為廣闊的應用前景。隨著旋翼飛行器越來越受到人們的關注，研究方向也更深更廣，其涉及到眾多領域的高精尖技術，如空氣動力學、自動控制、慣性導航、傳感技術、遙感遙測等等；目前隨著四旋翼飛行器設計任務的到來，為研究和設計超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當前，四旋翼飛行器的研究還處在初級發(fā)展階段。隨著微、納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，在不遠的將來，四旋翼飛行器必定會走向實用化，但目前急需解決的關鍵技術和難

14、點還很多，有些問題甚至在較長一段時間內都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術盡最大可能地解決現(xiàn)有的問題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。二、四旋翼飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀近年來，隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、捷聯(lián)式慣性導航技術、動力鋰電池技術、現(xiàn)代控制理論的蓬勃興起，配合高速的低功耗處理器，使得開發(fā)和研制四旋翼飛行器有了重大突破，特別是四旋翼飛行器潛在的應用前景和使用價值，使其在較短的時間內就吸引了許多研究者的注意，出現(xiàn)了較多的關于四旋翼飛行器的研究論文和開發(fā)項目。國外對四旋翼飛行器的研究主要集中在三個方面：自主飛行器系統(tǒng)控制方案、基于視覺的自主飛行控制和基于捷聯(lián)式慣性導航的自主飛行控制。典型代表分別是

15、：佐治亞理工大學的 GTMARS、瑞士洛桑聯(lián)邦科技學院的OS4 和賓夕法尼亞大學的 HMX4。GTMARS是佐治亞理工大學面向火星探測任務而設計的CAD機系統(tǒng)，其動力子系統(tǒng)和飛行控制子系統(tǒng)的設計方案均在第 17 屆美國直升機協(xié)會學生設計競賽中獲得第一名。它重 20kg，旋翼半徑 0.92m，續(xù)航時間 30min。折疊封裝的GTMARS隨四面體著陸器登陸火星后，能自動將機構展開；能自主起飛和降落，巡航速度可達 72km/h；還能返回到著陸器補充能量。OS4 是瑞士洛桑聯(lián)邦科技學院開發(fā)的一種電動小型四旋翼飛行器，研究重點是機構設計方法和自主飛行控制算法，目標是要實現(xiàn)室內和室外環(huán)境中的完全自主飛行。

16、2004年，OS4 I實現(xiàn)了基于多種控制算法(例如：PID、LQ、Backstepping、Sliding-mode)的姿態(tài)增穩(wěn)控制。2006 年，OS4 II 已經實現(xiàn)了在室內環(huán)境中基于慣性導航的自主懸停控制。HMX4 機體底部有五個彩色標記，地面攝像頭跟蹤并測量標記的位置和面積，從而獲得飛行器的三個姿態(tài)角和位置。目前已經實現(xiàn)了基于視覺的自主懸?？刂?，使用的控制算法是Backstepping。最近研究人員又開發(fā)了于機載和地面雙攝像頭的視覺定位與定姿系統(tǒng)，進一步提高了測量的精度。目前，國內的四旋翼機正在蓬勃發(fā)展，2009年5月21日，一臺叫做“旋翼飛行機器人”的空中多功能自主飛行機器人在中國中

17、科院沈陽自動化研究所研制成功，并在災害搜救的實際測試中取得很好的效果，并已經小批量地投入生產。據相關人員介紹，較大的四旋翼飛行器最長可在4小時中持續(xù)執(zhí)行任務，并且速度可以達到每小時100公里，起飛時的自身重量為120公斤，并負擔有效載荷40公斤；而較小一點的飛行器擁有最長2小時的續(xù)航時間，最大巡航速度可達每小時70公里，起飛是的自身重量僅僅40公斤，同時負擔14公斤的有效載荷。三、本課題的研究內容本次課題設計的是一個四旋翼飛行器，系統(tǒng)具有很強的穩(wěn)定性和可靠性，可以空中懸停、遙控飛行、自主飛行、GPS定點定位、任務執(zhí)行。本文的主要研究內容包括以下幾個方面：(1) 通信方法課題最終實現(xiàn)飛行器在無線

18、控制的條件下進行安全穩(wěn)定的運動，設計采用常用的2.4G 作為通信頻段，采用歐洲通用的小型機通信協(xié)議MAVLINK進行數據交互，在文中將詳細討論接收端控制數據的解碼處理及如何實現(xiàn)對四旋翼飛行器進行控制。(2) 姿態(tài)解算方法姿態(tài)控制方法是四旋翼飛行器研究的重點，文中將介紹控制器如何采集姿態(tài)傳感器數據，并對數據進行融合，根據融合的數據判斷自身運動狀態(tài)。(3) 飛行器電機控制方法在計算出自身姿態(tài)之后，飛行器需要控制電機來執(zhí)行相應的姿態(tài)調整，論文中將詳細介紹采用 PID 控制器來設計電機控制量，以及電機的驅動方式。四、研究方法及手段為了使系統(tǒng)在設計上結構清晰，可以方便的對系統(tǒng)進行修改和功能升級以及方便的

19、進行系統(tǒng)測試和調試，本系統(tǒng)采用模塊化設計的思想。系統(tǒng)大致可以分為電源模塊、MCU最小系統(tǒng)模塊、傳感器數據采集模塊、電子調速器模塊、GPS模塊、遙控發(fā)送接收模塊等六大部分。1. 系統(tǒng)硬件原理框圖 系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。MCU芯片采用Atmel公司的Mega2560、陀螺儀采用Invensense公司的MPU6000、磁力計采用honeywell(霍利維爾)公司的HMC5883L、氣壓計采用MEAS(瑞士)公司的MS5611、電子調速器采用ZTW(中特威)公司的30A專用無刷電子調速器。圖1 系統(tǒng)原理框圖2. 系統(tǒng)硬件電路設計MCU最小系統(tǒng)和傳感器數據采集系統(tǒng)是硬件電路設計的兩個核心。其中，M

20、CU的最小系統(tǒng)主要包括電源電路、時鐘電路、復位電路、各接口電路。(1) .電源電路的設計電源方面采用了兩種供電方式：一是在USB總線連接到PC機上時，由USB給系統(tǒng)供電，二是當系統(tǒng)脫離主機時，由外接的5V直流電源供電。系統(tǒng)所需要的電壓有11.1V、5V、3.3V，11.1V由電池提供，5V由LM2940降壓得到，3.3V由TPS79133穩(wěn)壓得到(2) .MCU最小系統(tǒng)模塊的設計MCU是整個系統(tǒng)的控制和處理核心，其穩(wěn)定性尤為重要，包括MCU供電部分、時鐘電路、復位電路、程序下載接口、數據交互接口等。(3) .傳感器數據采集的設計本四旋翼飛行器的傳感器有采用SPI協(xié)議的陀螺儀MPU6000和氣壓

21、計MS5611，有采用IIC協(xié)議的磁力計HMC5883L，故系統(tǒng)采用SPI和IIC和傳感器交換數據。(4) .電子調速器設計由于本次四旋翼機采用無電刷無位置傳感器的直流無刷電機，其驅動要采用三相電子換向器，所以采用了4個30A的專用無刷電機驅動板。(5) . GPS模塊設計GPS模塊采用UBLOX公司推出的高精度GPS模塊LEA-6H，采用串口協(xié)議，以5Hz、9600bps波特率的速度輸出標準的GPS數據格式。(6) . 遙控發(fā)送接收模塊遙控發(fā)送和接收端的通信采用NRF24L01+芯片，該芯片是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片，輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置

22、可以通過SPI接口進行設置。3. 系統(tǒng)軟件設計本設計中的軟件設計主要是C語言程序的設計。Arduino IDE是一個集成 AVRGCC庫的開發(fā)環(huán)境，為設計者提供了開發(fā)、調試和下載的全部工具。系統(tǒng)程序的開發(fā)主要是包括四個方面的內容：系統(tǒng)初始化、數據的采集和傳輸、姿態(tài)解算、PID調整、遙控數據的處理。(1) . 系統(tǒng)初始化的C程序設計 系統(tǒng)上電后，MCU進行時鐘配置的初始化，然后配置SPI、IIC、UART等外設，再初始化各傳感器，進行傳感器標定，零點采集，傳感器校準。(2) . 數據采集和傳輸程序設計傳感器自校準完成后，會進入數據采集和發(fā)送程序，在滴答脈沖的定時下，以200Hz的速度向

23、MCU發(fā)送采集到的數據，并進入下一次采集等待。(3) . 姿態(tài)解算程序設計姿態(tài)解算程序是四旋翼飛行器的核心。在接收到各傳感器的數據后，MCU開辟出一塊內存，將數據進行融合、濾波，然后通過四元數法，解算出飛行器當前的三姿態(tài)角，即滾轉角roll、俯仰角pitch、偏航角yaw，根據得到的姿態(tài)角，判斷飛行器是否處于平衡狀態(tài)，然后輸出PWM，通過電子調速器，控制每個無刷電機的轉速，使飛行器保持平穩(wěn)狀態(tài)。(4) . PID調整PID是工業(yè)生產中最常用的一種控制方式，適用于需要進行高精度測量控制的系統(tǒng)。其中P為比例（proportion）、I為積分（integration）、D為微分（differenti

24、ation），正式由于PID的調整，才可以使飛行器穩(wěn)定地飛行。(5) . 遙控數據的處理遙控發(fā)送部分，用另一MCU，通過AD采集6個電位器的電壓，通過SPI，將數據傳給無線模塊NRF24L01+，然后模塊將數據發(fā)送。遙控接收端，無線模塊收到數據后，通過SPI將數據傳遞給MCU，MCU對數據進行校驗，然后處理數據，根據數據處理結果，執(zhí)行相應的操作。五、研究步驟本課題涉及到系統(tǒng)硬件電路設計和軟件編程，基本的研究步驟如下：1.了解所需要的知識，確定基本方案。2.對設計中需要用到的器件進行選型，詳細了解并翻閱其規(guī)格說明書。3.翻閱資料，了解所選控制器的內部資源及結構，并熟悉它的使用方法和編程技巧。4.

25、查閱各功能模塊所使用的器件的相關資料，進行具體電路設計并繪制原理圖。5.原理圖經過評審之后進行PCB制版，并發(fā)往工廠制作。6.編寫各子功能模塊的程序，并做好時序仿真。7.將編譯通過的程序下載到檢測好的硬件電路上進行各模塊調試。8.各模塊調試通過后進行系統(tǒng)聯(lián)調。9.完成設計。六、主要參考資料1 胡春華.縱列式無人直升機建模及非線性控制D.博士學位論文,北京,清華大學,2004.2 吳劍.碟形無人直升機總體設計技術研究D.碩士學位論文,南京,南京航空航天大學,2004.3 王守亮;基于藍牙多旋翼微飛行器通信與控制的研究與實現(xiàn)D,碩士學位論文,上海,上海交通大學,2005.4 劉煥曄.小型四旋翼飛行

26、器飛行控制系統(tǒng)研究與設計D;碩士學位論文,上海,上海交通大學, 2011.5 彭軍橋.四旋翼蝶形飛行器D;碩士學位論文,上海,上海大學,2001.6 聶博文,馬宏緒,王劍,王建文.微小型四旋翼飛行器的研究現(xiàn)狀與關鍵技術J. 電光與控制.2007.(6). 113-117.7 王帥,周洋.用于危險區(qū)域物品清理的四旋翼飛行抓捕手J.兵工自動化.2011. (3).78-80. 8 秦永元.慣性導航M .北京:科學出版社,2006:289-300. 9 黃旭,王常虹,伊國興,等.利用磁力計及微機械加速計和陀螺儀的姿態(tài)估計擴展卡爾曼濾波器J.中國慣性技術學報.2005.13(2):27-30, 34.

27、 10 趙鶴,王喆垚.基于 UKF 的 MEMS 傳感器姿態(tài)測量系統(tǒng)J,傳感器技術學報,2011,24(5): 642-646.11 高宗余,李德勝.多 MEMS 傳感器姿態(tài)測量系統(tǒng)的研究J電光與控制，2010,17( 3): 68-70,97.12 梁延德,程敏,何福本,李航.基于互補濾波器的四旋翼飛行器姿態(tài)解算J.傳感器與微系統(tǒng),2011,30(11):56-58,61.13 于雅莉,孫楓,王元昔.基于多傳感器的四旋翼飛行器硬件電路設計J.傳感器與微系統(tǒng), 2011,30(8), 113-115,123.14 楊永鑫.基于磁阻與加速度傳感器的彈體姿態(tài)測量系統(tǒng)研究D.碩士學位論文,南京,南京

28、理工大學,2010.指導教師簽名： 2014年5月30日武漢紡織大學2014屆畢業(yè)設計（論文）摘 要四旋翼飛行器是一種新型的無人飛行器，涉及目前科學研究的多項高精尖技術，有相當重要的研究價值。本文論述的四旋翼飛行器主要用于低空航拍、地面勘察、環(huán)境監(jiān)測、航模娛樂等載重量小的輕量級任務。論文首先闡述了四旋翼飛行器的發(fā)展，講解了飛行的基本原理，然后介紹了四旋翼飛行器的基本設計思路。設計主要包括硬件電路的設計、飛行控制程序的開發(fā)設計。在硬件電路的設計中首先介紹了設計中所用到的MCU芯片ATMEGA2560，陀螺儀MPU6000、磁力計HMC5883L、氣壓計MS5611、GPS模塊LEA-6H、無線模

29、塊NRF24L01+的性能和特點，然后給出了具體硬件電路的設計方案。飛行控制程序的開發(fā)部分是此次設計的重點，論文先從總體上介紹了程序的設計思想，隨后詳細介紹了各子功能模塊的設計過程，并給出了部分源代碼和程序流程圖。論文最后介紹了最終研究與設計制作出的實物成果，并進行了測試研究。測試表明，四旋翼飛行器系統(tǒng)實現(xiàn)了空中懸停、遙控飛行、自主飛行、GPS定點定位、任務執(zhí)行，并可以外掛攝像頭模塊，進行空中航拍，達到了預期目的。關鍵字：四旋翼； 飛行控制； 陀螺儀； 加速度計； 姿態(tài)解算ABSTRACTThe quadcopter is a new unmanned aircraft, which is c

30、urrently involved in a number of sophisticated scientific techniques, and it has a very important research value. The quadcopter aircraft discusses in this thesis is mainly used for low-altitude aerial photography, ground surveys, environmental monitoring, HM entertainment deadweight small lightweig

31、ht tasks.Thesis describes the development of quadcopter aircraft, explains the basic principles of flight, and then introduces the basic design ideas of quadcopter. The design includes hardware design and flight control program. In the design of the circuit hardware, thesis introduces the performanc

32、e and features of the MCU chip ATMEGA2560, gyroscope MPU6000, magnetometer HMC5883L, barometer MS5611, GPS LEA-6H, wireless module NRF24L01+, then it gives specific hardware design of the circuit. The flight control program is the most important development of the design, followed by a detailed desc

33、ription of the design process for each sub-function modules, and it gives some of the source code and program flow.Finally, the thesis describes the outcome of the research and design. Testing shows that the quadcopter aircraft system achieves the air hovering, flying remote control, autonomous flig

34、ht, task execution, and photography, up to the desired purpose.Keywords: Quadcopter; Fly Control; Gyroscope; Accelerometer; Attitude solution 目 錄1. 緒論11.1 課題的提出及意義11.2 課題的研究背景和現(xiàn)狀21.2.1 早期四旋翼飛行器的研究21.2.2 四旋翼飛行器的現(xiàn)狀21.3 四旋翼飛行器的結構及工作原理31.3.1 四旋翼飛行器簡介31.3.2 四旋翼飛行器的結構組成31.3.3 四旋翼飛行器的特點41.3.4 四旋翼姿態(tài)的調整方法：41

35、.3.5 坐標系的建立71.3.6 飛行器繞X軸的角度橫滾角(roll)與旋翼升力之間的關系91.3.7 飛行器繞Y軸的角度俯仰角(pitch)與旋翼升力之間的關系91.3.8 飛行器繞Z軸的角度偏航角(yaw)與旋翼升力之間的關系91.4 飛行器姿態(tài)的確定101.5 陀螺儀角速度傳感器101.5.1 Gimbal陀螺儀111.5.2 MEMS陀螺儀111.5.3 角度測量111.5.4 陀螺儀選擇121.6 加速度傳感器121.6.1 加速度傳感器的測量原理121.6.2 加速度傳感器的選擇131.7 姿態(tài)解算141.7.1 姿態(tài)解算概述141.7.2 融合算法分析141.8 無線遙控發(fā)送和

36、接收技術151.8.1 遙控通信頻段的選擇151.8.2 遙控器的設計161.9 電動機的PID控制161.9.1 PID概述161.9.2 PID的控制方法171.10 本章小結182 系統(tǒng)硬件電路設計182.1 總體設計182.2 電源模塊設計192.2.1 5V穩(wěn)壓電路設計192.2.2 3.3V穩(wěn)壓電路設計202.3 主控模塊（微控制器）212.3.1 微控制器(MCU)的選擇212.3.2 微控制器(MCU)特性212.4 姿態(tài)傳感器222.4.1 陀螺儀和加速度傳感器222.4.2 陀螺儀和加速度計傳感器電路232.4.3 磁力計HMC5883L242.4.4 氣壓計MS56112

37、42.4.5 GPS模塊LEA-6H252.4.6 2.4G無線通信模塊252.4.7 遙控發(fā)送與接收262.4.8 電子調速器263 系統(tǒng)軟件的C程序設計273.1 總體設計273.2 系統(tǒng)初始化283.2.1 系統(tǒng)時鐘設計293.2.2 控制參數初始化293.3 內部資源設置303.4 數據輸入設計303.4.1 姿態(tài)傳感器數據的輸入303.4.2 遙控接收機數據的輸入313.5 姿態(tài)解算的實現(xiàn)313.6 PID閉環(huán)控制的設計323.7 控制算法實現(xiàn)333.8 四旋翼飛行器設計實現(xiàn)343.8.1 實現(xiàn)結果343.9 本章小結354 結果分析及改進364.1 設計結果364.2 功耗分析37

38、4.3 算法分析374.3.1 姿態(tài)解算分析374.4 控制系統(tǒng)改進384.5 與目前國內外研究現(xiàn)狀的比較384.6 本章小結395 總結與展望395.1 研究總結395.2 還需解決的問題405.3 未來的研究展望40參考文獻41附錄四旋翼飛行器原理圖和PCB42附錄四旋翼飛行器源代碼43英文資料44中文譯文50致 謝561. 緒論1.1 課題的提出及意義飛行器（aircraft）是指靠自帶動力裝置、人工輔助操控、可滯空、可預設飛行的裝置；它利用螺旋槳提供的動力來抵消自身的重量，可長時間滯空，可自主巡航或者遙控飛行；飛行器依據機翼類型可分為固定翼飛行器和旋翼飛行器。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷提高

39、，旋翼飛行器的研究得到了迅猛的發(fā)展，其在民用領域和軍事領域的應用也越來越多，比如：應用于地面?zhèn)刹?、高空勘測、數據采集、通信中繼、災害救援等等，通過旋翼飛行器來完成上述的任務，不僅操作靈活，成本降低，還可以避免人員消耗。和固定翼飛行器相比，旋翼飛行器的發(fā)展較為緩慢，這是因為旋翼飛行器涉及自動控制、機電一體，較固定翼復雜，早期的科技水平無法滿足旋翼飛行器的自主飛行控制；然而，旋翼飛行器卻擁有諸多優(yōu)點：1）機械結構簡單，改變旋翼電機的轉速就可實現(xiàn)控制，飛行靈活；2）沒有龐大機翼的限制，能應用于復雜環(huán)境中；3）具備垂直起降、空中懸停和自主巡航等功能，機載電子設備高度智能化，在保證飛行姿態(tài)穩(wěn)定的同時，可

40、實現(xiàn)垂直懸停、俯仰升降、偏航轉向的特殊動作，靜若處子，動若脫兔。隨著現(xiàn)代自動控制理論的發(fā)展和微機電系統(tǒng)的日漸成熟，旋翼飛行器越來越受到人們的關注，研究方向也更深更廣，其涉及到眾多領域的高精尖技術，如空氣動力學、自動控制、慣性導航、傳感技術、遙感遙測等等；目前隨著四旋翼飛行器設計任務的到來，為研究和設計超小型飛行器創(chuàng)造了條件。當前，四旋翼飛行器的研究還處在初級發(fā)展階段。隨著集成電路、納米科技的迅猛發(fā)展和微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的蓬勃興起，在不遠的將來，四旋翼飛行器必定會走向實用化，但目前急需解決的關鍵技術和難點還有很多，有些問題甚至在較長一段時間內都可能難以解決，只有用現(xiàn)有的技術盡最大可能地解

41、決現(xiàn)有的問題，我們才能不斷地走在科技發(fā)展的前列。1.2 課題的研究背景和現(xiàn)狀1.2.1 早期四旋翼飛行器的研究早在一百多年前的20世紀初期，國外就有專家學者開始了四旋翼飛行器的研究。Breguet-Richet四旋翼飛行器于1907年試飛，其有四個長為8.1米的旋翼十字支架，其中對角支架上的兩個旋翼順時針方向旋轉，另外一對對角支架上兩個旋翼逆時針方向旋轉。飛行員坐在十字支架的中心位置，油門為唯一的控制設備，只能同時改變四個旋翼的轉速，從而導致對飛行器極不穩(wěn)定。在其起飛時，四個機架的頂端都需要有其他人員來輔助其穩(wěn)定起飛。雖然自主飛行沒有實現(xiàn)，但使用四個螺旋槳、對角的兩個螺旋槳順時針旋轉旋翼和逆時

42、針旋轉旋翼的思想是Breguet-Richet 四旋翼飛行器的顯著特點，為以后的發(fā)展奠定的基礎。1.2.2 四旋翼飛行器的現(xiàn)狀近年來，四旋翼飛行器的控制理論和算法有了很大提升，研究四旋翼飛行器的文章和項目層出不窮，最具有代表性的有：瑞士洛桑聯(lián)邦科技學院的OS4、澳大利亞國立大學的X-4 Flyer Mark、美國斯坦福大學的Mesicopter和STARMAC。瑞士洛桑聯(lián)邦科技學院的OS4目前已經在Matlab/Smiulink仿真環(huán)境下進行了OS4避障模型的測試，還設計了避障控制器、基于位置和速度控制的5種不同避碰方法，并做了相關測試實驗；澳大利亞國立大學的 X-4 Flyer M

43、ark在Matlab仿真分析表明，倒轉四旋翼的結構有利于四旋翼的穩(wěn)定飛行，并具有較高的抗干擾能力；美國斯坦福大學的Mesicopter目前已經完成了試驗樣機在一根短垂直桿上離地飛，STARMAC使四旋翼系統(tǒng)有可靠的、完全自主的航點鎖定能力，具備多飛行器協(xié)同飛行水平；麻省理工學院目前的項目已完成了四旋翼對目標進行連續(xù)搜索、跟蹤、多機協(xié)同和編隊飛行等實驗室內環(huán)境下四旋翼機的飛行演示，其中包括多架四旋翼對目標進行連續(xù)搜索、跟蹤、多機協(xié)同和編隊飛行等實驗。佐治亞理工學的GTMARS是面向火星探測任務而設計的，能夠自動將機械手臂展開、自主起降。續(xù)航30min、巡航速度可達72km/h、還可以返回到著落器

44、補充能量。他們的最終目標是實現(xiàn)室內和室外環(huán)境中的自主巡航和多飛行器協(xié)同完成具體任務。 1.3 四旋翼飛行器的結構及工作原理1.3.1 四旋翼飛行器簡介四旋翼飛行器屬于旋翼飛行器的一種，從外形來看，其可以看作四個具備相同功能的直升機組合，但卻與直升機有著較大的差異。四旋翼飛行器擁有兩對旋翼，對角線上的旋翼旋轉方向相同，相鄰旋翼旋轉方向相反，這樣一方面可以利用相互作用的原理來抵消掉各個旋翼產生的反扭力，而不用像直升機那樣需要特殊的尾槳來消除反扭力；另一方面還可以通過調節(jié)兩對角旋翼所產生的扭矩和升力大小，來控制飛行器的飛行姿態(tài)。四旋翼飛行器的姿態(tài)控制部件少，原理簡單，轉向靈活，操控靈敏，體

45、積小，重量輕，能耗低。1.3.2 四旋翼飛行器的結構組成圖1-1四旋翼飛行器四旋翼飛行器的結構如圖1-1中所示，組成主要包括如下部分：旋翼部分：該部分固定安放在機身的四個垂直軸的末端，為飛行器提供動力，其中包括四個螺旋槳(兩對順時針旋轉、兩對逆時針旋轉)、電機以及一些固定部件。飛行控制部分：該部分安裝在機身的中部，控制飛行器的姿態(tài)，是系統(tǒng)的核心。其中包括主控制器部分、遙控接收部分、姿態(tài)采集部分等等。機身：由兩個互相垂直的機臂作為機架，用于固定旋翼模塊和飛行控制模塊，另外，在飛控部分和電機之間，安裝了電子調速器來驅動電機。四旋翼飛行器的結構中，四個螺旋槳處于同一高度平面，機身的中心處安放飛行控制

46、部分，重心穩(wěn)定，飛行控制部分能精確解算出飛行姿態(tài)，調整四個螺旋槳的轉速，控制四旋翼的運動姿態(tài)?？刂品绞胶唵?，控制部件少，其控制原理、工作方式也易被大眾所接受。相比較傳統(tǒng)的固定翼和直升機系統(tǒng)，四旋翼飛行器的結構主要有以下特點：(1) 四個螺旋槳同時產生升力。相比較直升機單槳產生的升力，四旋翼飛行器可負載更多，穩(wěn)定性更強，當然更多槳翼(如六旋翼、八旋翼)飛行器的負載會更大，但是槳翼增加會帶來控制上的復雜性，故這里選用四旋翼的結構形式。(2) 四旋翼結構對稱，各旋翼間的干擾小。對角旋翼旋轉方向相同，相鄰旋翼旋轉方向相反，具有對稱結構，使得飛行器上下運動與其他運動之間無耦合；在理想情況下，俯仰運動與橫

47、滾運動之間無耦合，這就給系統(tǒng)的分析和設計帶來了很大的方便。(3) 四旋翼的姿態(tài)控制。飛行器在空中運動中，有基本的四種飛行狀態(tài)，即：上下飛行（懸停）、前后飛行（俯仰）、側向飛行（橫滾）、水平轉動（偏航），這四種飛行姿態(tài)，都是通過控制四個螺旋槳各自的旋轉速度來實現(xiàn)的。1.3.3 四旋翼飛行器的特點四旋翼飛行器屬于旋翼類飛行器，而旋翼類飛行器主要是通過改變每個螺旋槳升力的大小來控制飛行器的運動方式，與直升機相比，有如下異同：共同點：兩者都屬于旋翼類飛行器，無副翼、側翼，故四旋翼飛行器符合直升機的空氣動力學運動原理，分析時可以參考直升機的運動原理。不同點：(a)四旋翼飛行器只受螺旋槳和機體本身所產生的

48、力和力矩，而傳統(tǒng)的直升機一般需要承受尾翼所產生的力和力矩，以抵消機身的反扭力。(b)四旋翼飛行器具備多個槳翼，是通過調整各個螺旋槳的轉速，改變各個螺旋槳的升力和扭矩，調整和控制飛行器的飛行姿態(tài)，維持飛行器的飛行穩(wěn)定。1.3.4 四旋翼姿態(tài)的調整方法：四旋翼飛行器的姿態(tài)、速度控制行為都是通過調整四個動力電機的轉速來實現(xiàn)的，通過控制四個螺旋槳產生的升力和力矩來控制飛行器的飛行姿態(tài)，因此，整個四旋翼飛行器可以抽象成圖1-2 所示的模型。圖1-2四旋翼飛行器抽象圖圖1-2中，F(xiàn)1、F2、F3、F4分別代表前左后右四個螺旋槳產生的升力，M1、M2、M3、M4分別代表四個螺旋槳所產生的力矩；通過控制四個槳

49、翼產生的升力和力矩，即可讓飛行器實現(xiàn)各種飛行姿態(tài)和運動方式；具體的運動方式如下： (a)上下運動上下運動包括四旋翼飛行器的空中懸停和垂直升降。如圖1-3所示，當飛行器四個槳翼以相等的速度旋轉時，各個槳翼所產生的升力大小相等，反扭力抵消，總的升力不等于飛行器自身重力時，飛行器就會垂直上升或者下降；總的升力等于自身重力時，飛行器就水平懸停，此時有F1=F2=F3=F4= G /4。（其中G為整個飛行器重量）圖1-3四旋翼飛行器上下運動圖(b)橫滾運動橫滾運動又稱為左右運動，如圖1-4所示，右邊兩個槳翼的轉速高于左邊兩個槳翼轉速時，右邊槳翼所產生的總升力大于左邊槳翼產生的總升力，機身將向左側傾斜和運

50、動，此時有F1=F4，F(xiàn)2=F3，F(xiàn)1+F4> F2+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G為整個飛行器重量）；同理，可以使機體向右側傾斜和運動。圖1-4四旋翼飛行器左右運動圖(c)俯仰運動俯仰運動又稱為前后運動，如圖 1-5 所示，前邊兩個槳翼的轉速低于后邊兩個槳翼轉速時，前邊槳翼所產生的總升力小于后邊槳翼產生的總升力，機身將向前清晰和移動；同理，可以使機體向后側傾斜和移動。此時有F1=F2，F(xiàn)3=F4，F(xiàn)3+F4> F1+F2，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G為整個飛行器重量）圖1-5四旋翼飛行器前后運動圖(d)偏航運動偏航運動是四旋翼飛行器的自我旋轉運動。

51、如圖 1-6 所示，當對角線上的一組螺旋槳的轉速相同，而另一對角線上的螺旋槳轉速不同時，由于產生的反扭力矩不能被相互抵消，飛行器將會發(fā)生自旋和轉向。此時有F1=F3，F(xiàn)2=F4，F(xiàn)2+F4> F1+F3，并且F1+F2+F3+F4= G。（其中G為整個飛行器重量）圖1-6四旋翼飛行器旋轉運動圖1.3.5 坐標系的建立為了研究飛行器的姿態(tài)，通常使用坐標系來輔助分析。坐標系有地球坐標系、機體坐標系、速度坐標系以及旋翼坐標系等，不同坐標系間可通過轉換矩陣進行轉換和歸一。下面介紹設計中使用到的兩種坐標系。(1) 機體坐標系如圖1-7所示，建立機體坐標系。該坐標系以機體為參考對象，以機身的重心為參

52、考原點。X軸與前后螺旋槳連線平衡，前方指向X軸正方向；Y軸與左右螺旋槳連線平衡，右方指向Y軸正方向； Z軸與X軸、Y軸所在平面垂直，組成右手坐標系。圖1-7機體坐標系(2) 地球坐標系地球坐標系指絕對水平坐標系，亦稱NED坐標系或慣性直角坐標系，是三個互相垂直的向量軸（圖1-8所示），滿足右手正交法則，其原點與人體坐標系原點重合，N軸沿當地子午線指向地球正北方，E軸沿當地緯線指向地球正東方向，D軸指向地球中心，與重力方向重合。圖 1-8地球坐標系(3) 兩坐標系之間的關系當選擇地球坐標系作為參考時，兩者之間的關系如圖1-9所示。圖1-9機體坐標與地球坐標之間的關系圖1-9中，Xb-Yb-Zb構

53、成機體坐標系，Xe-Ye-Ze構成地球坐標系；機體坐標可以表示為機體相對于地球坐標旋轉運動的結果，其運動過程可以分解為繞三個軸的運動來描述，產生的角度變換描述如下：l 俯仰角(pitch)當飛行器做前后運動時，飛行器就要產生俯仰姿態(tài)，相對于地球坐標系就是：飛行器在 X-Z 平面進行繞 Y 軸運動，產生的角度即俯仰角(pitch)。l 橫滾角(roll)當飛行器做左右運動時，飛行器就要產生橫滾姿態(tài)，相對于地球坐標系就是：飛行器在 Y-Z 平面進行繞 X 軸轉動，產生的角度即橫滾角(roll)。l 偏航角(yaw)當飛行器做旋轉運動時，飛行器就要產生偏航姿態(tài)，相對于地球坐標系就是：飛行器在X-Y平

54、面進行繞Z軸的運動，產生的角度即偏航角(yaw)。文中四旋翼飛行器的運動表示都將建立在這兩種坐標系之中。1.3.6 飛行器繞X軸的角度橫滾角(roll)與旋翼升力之間的關系如圖1-10所示，飛行器在Y-Z平面內繞X軸旋轉時，產生的橫滾角(roll)主要通過左右旋翼產生的升力控制。圖1-10飛行器繞X軸旋轉的角度與F左、F右之間的關系1.3.7 飛行器繞Y軸的角度俯仰角(pitch)與旋翼升力之間的關系如圖1-11所示，飛行器在X-Z平面內繞Y軸旋轉，產生的俯仰角(pitch)主要通過前后旋翼產生的升力控制。圖1-11飛行器繞Y軸旋轉的角度與F前、F后之間的關系1.3.8 飛行器繞Z軸的角度偏航

55、角(yaw)與旋翼升力之間的關系如圖1-12所示，飛行器在X-Y平面內繞Z軸旋轉，產生的偏航角(yaw)需要通過控制前后左右四個旋翼才能達到效果，且旋轉過程中，同一對角線上的兩個旋翼轉速保持一致，且不同對角線的旋翼轉速不同。圖 1-12 飛行器繞Z軸旋轉的角度與四個電機之間的關系1.4 飛行器姿態(tài)的確定所謂姿態(tài)，是用來描述一個剛體的自身剛體坐標系和參考坐標系之間的角度、位置關系，常見的描述方式有歐拉角，也就是pitch，roll，yaw三個轉角，另外還有四元數、方向余弦矩陣等描述方式。常見的姿態(tài)測量器件有陀螺儀、加速度計、磁力計、氣壓計、超聲波傳感器、GPS、攝像頭、紅外傳感器、光流傳感器等等。目前在姿態(tài)算法的研究中，特別復雜的融合方式幾乎融合了上述所有傳感器的數據，綜合處理這些數據，便可以獲得較準確的姿態(tài)定位；然而針對四旋翼飛行器的研究和應用，受到嵌入式平臺運算能力和飛行器載體空間大小的限制，傳感器數據的融合將會簡單化、最優(yōu)化，因此需要選擇一種廉價、輕量、易用的慣性測量單元（簡稱 IMU）來輸出載體的姿態(tài)信息。設計中采用陀螺儀、加速度計、氣壓計和GPS來進行四旋翼飛行器的姿態(tài)測量，其相關知識具體介紹如下。1.5 陀螺儀角速度傳感器陀螺儀是一種用于測量角度以及維持方向的角速度傳感器，基于角動量守恒