基于单片机的四轴飞行器-毕业论文.doc

1、毕业论文基于单片机的四轴飞行器吉 林 建 筑 大 学20XX 年 6 月毕业论文基于单片机的四轴飞行器学 生：指 导 教 师：专 业： 电子信息工程所 在 单 位： 电气与电子信息工程学院答 辩 日 期： 20XX 年 X 月目 录摘 要 . IABSTRACT . II第 1 章 绪论 .11.1 论文研究背景及意义 . 11.2 国内外的发展情况 .21.3 本文主要研究内容 .4第 2 章 总体方案设计 .52.1 总体设计原理 .52.2 总体设计方案 .52.2.1 系统硬件电路设计方案 . 52.2.2 各部分功能作用 . 62.2.3 系统软件设计方案 . 7第 3 章 系统硬件

2、电路设计 . 83.1 Altium Designer Summer 09 简介 . 83.2 总体电路设计 .83.2.1遥控器总体电路设计 . 83.2.2飞行器总体电路设计 . 103.3 各部分电路设计 .103.3.1 电源电路设计 .103.3.2 主控单元电路设计 . 123.3.3 无线通信模块电路设计 . 133.3.4 惯性测量单元电路设计 . 163.3.5 电机驱动电路设计 . 183.3.6 串口调试电路设计 . 193.4 PCB 设计 .213.4.1 PCB 设计技巧规则 .213.4.2 PCB 设计步骤 .223.4.3PCB 外形设计 .233.5 实物介

3、绍 .25第 4 章 系统软件设计 .274.1 Keil MDK5.12 简介 .274.1.1Keil MDK 概述 .274.1.1Keil MDK 功能特点 .274.2 软件设计框图 .284.3 软件调试仿真 .294.4 飞控软件设计 .304.4.1MPU6050 数据读取 .304.4.2 姿态计算 IMU .324.4.3PID 电机控制 .32结 论 .36致 谢 .38参考文献 . 39附录 1 遥控器主程序源代码 .40附录 2 飞行器主程序源代码 .45附录 3 遥控器原理图 .50附录 4 飞行器原理图 .51摘 要四轴飞行器具备 VTOL(Vertical Ta

4、ke-Off and Landing ，垂直起降 )飞行器的所有优点，又具备无人机的造价低、可重复性强以及事故代价低等特点，具有广阔的应用前景。可应用于军事上的地面战场侦察和监视，获取不易获取的情报。能够执行禁飞区巡逻和近距离空中支持等特殊任务，可应对现代电子战、实现通信中继等现代战争模式。在民用方面可用于灾后搜救、城市交通巡逻与目标跟踪等诸多方面。工业上可以用在安全巡检，大型化工现场、高压输电线、水坝、大桥和地震后山区等人工不容易到达空间进行。本设计主要包括遥控器和飞行器两大部分，其中央处理器 CPU 均采用基于32 位 ARM Corex-M3 内核的 NXP LPC1549，时钟频率为

5、72MHz ；飞行器与遥控器之间的无线通信采用 2.4GHz 通信频段的 NRF24L01 模块， NRF24L01 模块与MCU 之间通过 SPI 协议以 1MHz 的通信速率通信；飞行器端搭载有 3 轴加速度计与三轴陀螺仪融合一体的 MPU6050 惯性测量单元作为姿态欧拉角测量单元，MPU6050 与飞行器 MCU 之间通过 I2C 协议以 400Hz 的频率进行通信；飞行器端MCU 通过接收无线数据以及采集 MPU6050 数据通过四元数互补滤波计算出的欧拉角，再进行电机 PID 自动控制，最终以 20KHz 的 PWM 通过 MOS 管来驱动空心杯 820 直流有刷电机，得以实现遥控

6、四轴飞行器的设计。关键词 四轴飞行器； PID 自动控制； MPU6050 ； PWMIABSTRACTFour-axis aircraft equipped with VTOL (Vertical Take-Off and Landing, verticaltake off and landing) aircraft with all the advantages, and UAVs low cost strong, repeatable, and low accident costs, has broad application prospects. Can be used in mili

7、tary battlefield reconnaissance and surveillance, access is not easy to getinformation. Able to perform special tasks such as patrolling the no fly zone and close air support, could cope with modern electronic warfare, communications relay of modern warfare. In civil use can be used for post-disaste

8、r rescue, traffic patrol and tracking, and many other aspects of the city. Can be used in a safety inspection on the industrial, large-scale chemical sites, high-voltage power lines, dams, bridges and artificial mountain after the earthquake are not easy to reach space.This design includes two remot

9、e controls and aircraft parts, central processing unit CPU using of 32ARM NXP Corex-M3 kernel LPC1549,clock frequency is 72MHz; Wireless communication 2.4G communication with the remote control of aircraft band NRF24L01 module NRF24L01 module between the MCU and 1MHz communication speed through the

10、SPI protocol communications; Aircraft end carrying a 3-axis accelerometer and integrating three-axis gyro MPU6050 inertial measurement unit as a gesture of Euler angle measurement unit,MPU6050 aircraft between the MCU communicates through the I2C Protocol with400Hz frequency; Aircraft end-MCU by rec

11、eiving wireless data MPU6050 data collected by Quaternion complementary filters calculate the Euler angles. PID motor control, ultimately 20KHz PWM drive through the MOS tube hollow glass 820 DC brush motor, remote control design of four axis aircraft.Keywords Quadrocopter； PID Auto control； MPU6050

12、 ； PWMII吉林建筑大学学士学位论文第 1 章 绪论1.1 论文研究背景及意义图 1-1 典型四轴飞行器四轴飞行器是一种具有 4 个对称旋翼的直升机（如图 1-1），具有垂直起降、结构简单、操纵方便及机动灵活等优点，在飞行器上挂载摄像头等模块能够实现许多实用功能。在实际应用方面，以四轴飞行器为代表的小型无人机在执行军事任务时具有很大的优势。它们能够在士兵的操控下进行战场上近距离、小范围、复杂地形环境的敌情侦察，还可以用作通信联系工具或者指示目标机，甚至还能装上弹药直接执行战略攻击任务。在民用与工业领域，四轴飞行器也具有广泛的应用前景。通过携带特定的功能检测模块，四轴飞行器可以感知危险区域的

13、有毒物质浓度或核辐射强度等。微型四轴无人飞行器可以自主完成上述任务，不仅节约成本，而且大大简化了人力劳动，也在人类无法到达的危险、危害环境可以完全代替人类工作。近年来，很多学者和研究机构通过对四轴飞行器进行动力学和运动学分析，建立了系统的数学模型， 提出了各种控制算法， 并设计了飞行控制系统进行验证；加上传感器技术和控制理论的不断发展， 尤其是微电子和微机械技术的逐步成熟，使四轴飞行器的飞行控制成为了一个具有广阔前景的研究课题。1吉林建筑大学学士学位论文1.2 国内外的发展情况早在二战时， 载人四轴的原型机已经被设计出来， 但因为控制技术还跟不上，飞行器因不稳定而无法投入实际应用。那时欠缺的技

14、术主要是惯性测量和控制器的缺陷，那时候的惯性导航系统一般是十几公斤的大铁疙瘩。为了把这么重的东西放到一个多旋翼飞行器上，飞行器的载荷必须很大，可是人们发现，不管是用油机还是电机做多旋翼飞行器的动力系统，都很难得到足够的载荷。同时，因为固定翼和直升机已经很够实际使用了，所以没有人愿意多花功夫去研究多旋翼飞行器这个棘手的问题。很长一段时间里，只有美国一些研发性的项目做出了多旋翼飞行器的样机。20 世纪 90 年代之后，随着微机电系统（ MEMS ）研究的成熟，几克重的 MEMS惯性导航系统被制作了出来，使得多旋翼飞行器的自动控制器可以制作了。但是MEMS 传感器数据噪音很大，不能直接读出来用，于是

15、人们又花了一些年的时间研究 MEMS 去噪声的各种数学算法。 这些算法以及自动控制器本身通常需要速度比较快的单片机来运行，于是人们又等了一些年时间，等速度比较快的单片机诞生。接着人们再花了若干年的时间理解多旋翼飞行器的非线性系统结构，给它建模、设计控制算法、实现控制算法。因此，直到 2005 年左右，真正稳定的多旋翼无人机自动控制器才被制作出来。之前一直被各种技术瓶颈限制住的多旋翼飞行器系统突然出现在人们视野中，大家惊奇地发现居然有这样一种小巧、稳定、可垂直起降、机械结构简单的飞行器存在。一时间研究者趋之若鹜，纷纷开始多旋翼飞行器的研发和使用。四旋翼飞行器是多旋翼飞行器中最简单最流行的一种。如

16、上所述，最初的一段时间主要是学术研究人员研究四旋翼。四旋翼飞行器最早出现在公众视野可能要追溯到 2009 年的著名印度电影 三傻大闹宝莱坞 ，到了 2010 年，法国 Parrot 公司发布了世界上首款流行的四旋翼飞行器 AR.Drone。作为一个高科技玩具，它的性能非常优秀：轻便、灵活、安全、控制简单，还能通过传感器悬停，用 WIFI 传送相机图像到手机上。2吉林建筑大学学士学位论文AR.Drone 的流行让四旋翼飞行器开始广泛进入人类社会。在玩具这个尺寸上，多旋翼飞行器的优势就显示出来了，同尺寸的固定翼基本飞不起来，而同尺寸的直升机因为机械结构复杂，根本没法低成本地制作出稳定的产品。201

17、2 年 2 月，宾夕法尼亚大学的 VijayKumar 教授在 TED 上做出了四旋翼飞行器发展历史上里程碑式的演讲。这一场充满数学公式的演讲居然大受欢迎，迄今已经有三百多万次观看，是 TED 成百上千个演讲中浏览量最高的演讲之一。自此之后，四旋翼飞行器受到的关注度迅速提升，成为了新的商业焦点。在国内，四轴飞行器发展于深圳市大疆创新科技有限公 (DJ-Innovations，简称DJI) ，早年 DJI 专注在直升机自动控制器上。不过在 2010 年， AR.Drone 的成功也让 DJI 开始考虑四旋翼飞行器产品。 2012 年 DJI 相继推出了风火轮系列四旋翼机架、悟空四旋翼飞控和 S8

18、00 六旋翼飞行器。当时，在 AR.Drone 的引领下，全球范围内都有一股将四旋翼商业化的热潮， DJI 只是众多小四旋翼公司中稍微出众的一个。随着 DJI Phantom 在 2013 年 1 月的推出，四旋翼飞行器市场的形势发生了巨大的变化。 “Phantom 在”英语里有幻影、精灵的意思，它优雅的白色流线型外形也确实配得上精灵这个称呼。 Phantom 与 AR.Drone 一样控制简便，新手学习多半个小时就可以自由飞行。 Phantom 尺寸比 AR.Drone 大的多，抗风性更好，还具有内置 GPS 导航功能，可以在户外很大的范围内飞行。更重要的是，当时利用 GoPro 运动相机拍

19、摄极限运动已经成为欧美国家的时尚，而 Phantom 提供了挂载 GoPro 的连接架，让用 GoPro 相机的人们有了从天空向下的拍摄视角。特别地，与传统的飞机和直升机航拍不同，多旋翼系统小巧灵活，能让拍摄者自由地控制角度和距离。就像 iPhone 重新定义了手机一样，我们也可以毫不夸张地说 Phantom+GoPro 重新定义了航拍，也重新定义了相机。“人类对飞行的梦想是与生俱来的。 ”你已经看到人们的创意如何在一两年之内被四旋翼点燃起来，更多的飞行器被制造出来，更多的想法也会被创造出来，这样更大的市场也会形成。我相信在未来的十年之内，无人机行业会逐步壮大，我们今天产生的所有想法基本都会实

20、现，更多的想法也会逐步被实现，利用无人机的应用越来越多，无人机将会变成我们生活不可或缺的部分。3吉林建筑大学学士学位论文1.3 本文主要研究内容本设计主要包括遥控器的设计和飞行器的设计，遥控器是飞行器的远程控制单元。在设计过程中， 两大部分均采用以 ARM Cortex-M3 为内核的 NXP LPC1549作为中央处理器，飞行器端利用 3 轴陀螺仪、 3 轴加速度计融合一体的 MPU6050惯性测量单元作为姿态传感器，最终实现悬停、自转、前后左右移动等操作功能。系统采用遥控器无线控制，遥控器端主控芯片采集 AD 值和按键动作信号，通过NRF24L01 无线传输给飞行器，飞行器端的 NRF24

21、L01 接收到信号之后主控器进行信号收集，飞行器在接收无线信号的同时，还要接收自身姿态传感器 MPU6050读出来的值，通过四元数滤波算法， PID 控制算法，得到姿态角度值，最终把自身的数据和无线接收到的数据进行统一处理传送给飞行器四个电机的 PWM 控制I/O 口，从而使得飞行器在保持平稳的状态下被遥控器控制， 以此来达到遥控的目的。当然，飞行器的状态也可以通过无线发送到遥控器端，遥控器通过显示器可以清晰的观察当前的状况。此次毕业设计作品为小型四轴飞行器， 从原理图设计到 PCB 设计再到焊接调试都是自己独立完成，最终期望达到的目的是实现无线遥控，遥控器显示器实时显示四轴飞行器的状态，并且能实现悬停。4