1、 密级： NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（20112015 年）题 目 四轴飞行器电机控制模块设计 学 院： 信息工程学院 系 自动化系 专业班级： 测控技术与仪器 111 班 学生姓名： 吕晴 学号： 5801211011 指导教师： 张宇 职称： 讲师 起讫日期： 2015-3-5 2015-6-2 南 昌 大 学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人
2、和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“” ）作者签名： 日期：导师签名： 日期：摘要四轴飞行器电机控制模块设计专业: 测控技术与仪器 学号: 58012110011学生姓名：吕晴 指
3、导老师：张宇摘要本课题是针对四轴飞行器在已经获得传感器测得的精确数据的情况下，设计合理的电路和算法，实现四轴飞行器稳定飞行和各种姿态变换。本课题的主要内容是对四轴飞行器的电机控制模块进行软硬件设计。四轴飞行器是智能机器人的一种，它是由四个旋翼旋转产生升力，通过协调各旋翼的转速来实现飞行器的姿态控制。与传统的无人机相比，四轴飞行器具有很强的机动灵活性和载荷能力，特别适合在理想稳态或者准稳态的飞行条件下进行全方位垂直起降，在军事和民用领域均拥有广阔的发展前景 2。本论文对四轴飞行器的电机控制模块进行了调研，并设计出了相关的硬件电路板以及软件控制算法。具体内容如下：首先建立四轴飞行器的动力学模型，四
4、轴飞行器的动力学建模分为力学建模和运动学建模两个部分，总体思想是将四轴飞行器看作一个刚体，选定当前的姿态角和目标姿态为输入量，在理想的条件下，推导出控制四轴飞行器所需的四个电机的控制量作为输出量的方程，即建立四轴飞行器受力与姿态之间的关系。其次对四轴飞行器电机控制模块进行合理的硬件设计，硬件部分分为了电源模块、主控模块、电机驱动模块、检测模块、无线通讯模块五个模块。其中选择了 STM32 系列单片机作为主控模块的微处理器，选择了三相无刷直流电机作为动力源，无刷电调对其进行调速。再次设计合理的控制算法，本课题采用了经典 PID 算法，临界比例度法对PID 参数进行了初步整定，再在试验中对参数进行
5、微调。最后针对四轴飞行器电机控制模块设计了合理的软件流程。关键词：四轴飞行器；动力学模型；电机；PID 控制算法AbstractThe design of motor control module for quad rotorAbstractThis subject is in the condition of the quad rotor having got accurate date from sensors, to design rational circuit and arithmetic. To realize the quad rotor flying stabilize and
6、 changing all sort of attitude. The main content of this topic is hardware and software design for quad rotor control system.Quad-rotor is one kind of micro air vehicle and a typical integration of machinery product. It produced lift by four rotor ,through coordinate the speed of each rotor to contr
7、ol the attitude of quad rotor. Compared with the tradition unmanned aerial vehicles, quad rotor has strong maneuverability and load capability. It suit for all-round vertical take-off and landing under the condition of quasi-steady state. It has widely development prospect in the file of military an
8、d civilian.In this paper, the motor to the Quad-rotor control module was investigated. I manufactured the hardware circuit board and software control algorithm. The main work of this paper are as follows:The first established dynamics model for quad rotor, it divided into two parts of mechanics mode
9、ling and kinematics modeling. The general idea is treat the Quad-rotor as a rigid body, select the current Euler angles and the target Euler angle as input, under ideal conditions, so as to get the equation to control Quad-rotor.The second design rational hardware. Hardware system is including the p
10、art for power supply, main control module, motor driver module and wireless communication module. I choose STM32series single chip microcomputer as the main control module microprocessor, three-phase brushless dc motor as the power source and brushless electric adjust speed.The third design ration c
11、ontrol algorithm. The subject adopts the classical PID algorithm, using proportion degree method to rectify the PID.The last design rational software process.Keywords: Quad rotor；dynamics mode； electric motor；PID algorithm目录目录摘要 .3Abstract .4第一章 绪论 .11.1 课题的研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 四轴飞行器发展趋势 .31.
12、4 本课题研究的主要内容及本论文的结构安排 .4第二章 四轴飞行器动力学模型设计 .52.1 四轴飞行器的力学建模 .52.1.1 电机建模 .52.1.2 旋翼建模 .72.1.3 机体结构建模 .72.2 四轴飞行器的运动学模型 .9第三章 四轴飞行器电机选型及其工作原理 .153.1 四轴飞行器电机选型 .153.2 三相直流无刷电机的基本结构 .153.3 三相直流无刷电机的工作原理 .16第四章 四轴飞行器控制算法设计 .194.1 PID 控制原理 .194.2 四轴飞行器的 PID 调节原理 .204.3 四轴飞行器 PID 参数整定 .21第五章 四轴飞行器电机控制模块软硬件设
13、计 .235.1 四轴飞行器原理介绍 .235.2 硬件设计部分 .245.2.1 电源模块电路的设计 .255.2.2 主控制模块电路 .255.2.3 驱动模块电路 .285.2.4 无线通讯模块电路 .28目录5.2.5 检测模块电路 .305.3 四轴飞行器电机模块软件设计 .32第六章 总结与展望 .346.1 论文总结 .346.2 展望 .34第一章 绪论1第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义四轴飞行器属于智能机器人，是多旋翼飞行器的一种 1。在动力来源上，直接由旋翼产生升力，而不是由机翼产生升力；在姿态控制上，四轴飞行器是通过协调各旋翼转速而实现飞行器的姿态控制 2，而不是
14、通过改变机翼或旋翼的空气动力学结构。四轴飞行器采用电子飞行控制系统，彻底丢弃了传统飞行器复杂的机械控制部件，简化了飞行器的结构，减轻了飞行器的重量，降低了制造成本和装配难度，有利于实现飞行器的微小型化 3。与传统飞行器相比四轴飞行器具有下列优点：1) 体积小，垂直起降，可以在深井，管道等狭小空间中运作；2) 可以配置不同的高端电子产品，与多种外设相连接，使其具有多种功能；3) 可以代替人在恶劣的环境下工作，避免高危环境下工作导致的人员伤亡；4) 结构简单，不会产生复杂的机械构造问题，易于安装拆卸，便于携带，且没有复杂的空气动力学问题。四轴飞行器的上述优点，使它具有广泛的应用前景。可以广泛应用在
15、森林防火、地质勘探、交通监视、灾害搜救、航拍成图等民用领域和侦察监视、通信中继、电子干扰、武器攻击等军事领域等；在军事应用前景方面，由于四轴飞行器的体积小，在执行任务时容易隐蔽，具有非常强的防御侦查能力，能够在操控者的遥控下在复杂环境地形中进行近距离，小范围的战场敌情侦查。除了在侦查方面的应用，四轴飞行器还可以作为通信工具使用，或者装上弹药直接进行战略攻击任务 5。在民用工农业应用前景方面，四轴飞行器可以在城市交通，环境监控，救灾抢险等方面有大量的应用之处。在现代化学工业、桥梁建设与维护、电力建设等领域常会遇到一些环境安全巡检问题。这类工作环境往往地形复杂，容易发生事故，人去做这项工作往往要付
16、出很大代价。如果用四轴飞行器代替人工去执行巡检任务，让小型四轴飞行器携带传感仪器、照相机等工具对巡检对象进行数据采集、分析与存储，不仅能够更进一步的提高工作的效率和精度，还可以减少工人的劳动强度和保障工人的人生安全。真正做到低成本、低损耗、零伤亡、高精度、可重复使用等优点 1。因此四轴飞行器具有广泛的应用前景，具有极大的研究价值。随着科技的第一章 绪论2不断发展，四轴飞行器将会拥有更为广阔的发展平台。第一章 绪论31.2 国内外研究现状美国莱特兄弟于1903年成功研制出世界上第一架真正载人动力飞机，揭开了近代航空史的序幕。1907，Breguet兄弟Louis 和Jacque ,在Richet
17、教授的指导下研制了第一架旋翼式飞行器，1907年8月24日，成功试飞，离地面0.5米 6。该飞行器采用4副双层4叶旋翼的结构，四轴飞行器的概念就此建立 5。1921年De Bothezat 受雇于美国军方，建造了一架实验性的直升机。采用一个发动机带动四个旋翼为直升机提供动力，但由于动力不足，反应慢，稳定性差，而被终止了该研究。法国工程师Etienne Oemichen设计的Oemichen 的四轴飞行器成为了历史上最早的能够在空中停悬的四轴飞行器。20世纪50年代，Convertawings 公司在美国纽约制造的 Convertawings Model“A”飞行器为世界上最早成功飞行的多旋翼飞
18、行器。Convertawings Model“A”通过旋翼产生向前飞的升力，通过改变每个螺旋桨所提供的推力来控制飞行器的飞行姿态。虽然四轴飞行器很早就出现了并取得了一定的成果，但由于这些四轴并没有取得什么实际应用，而且它们相对于传统结构的飞行器在性价比上不具备任何优势，所以四轴飞行器的早期发展特别缓慢。但是近年来随着电子科学技术的发展，小型四轴飞行器的开发与研制出现了一些新的方法，有了新的方向。尤其是小型四轴飞行器应用于无人机研究上存在的巨大潜力和前景，吸引了越来越多研究者的注意。目前国内外对四轴飞行器的研究，从应用角度上来看主要存在两类，一类是微小型四轴飞行器，另一类是遥控航模四轴飞行器。对
19、微小型四轴飞行器的研究主要集中在实现自主飞行功能和多机协调编队等方面的研究。而实现其自主飞行功能的研究又主要集中体现在以下三个方面：(1) 自主飞行器的系统方案；(2) 基于视觉导航的自主飞行器的控制系统设计；(3) 基于惯性导航的自主飞行器的控制系统设计。目前国际上对四轴飞行器的研究已经有很多成功的案例，图1-1为各国的研究成果：第一章 绪论4图 1-1 国际上四轴飞行器研究案例与成果虽然目前我国对四轴飞行器的研究成果还比较少，但是近年来很多的高校开始进行了关于四轴飞行器的研究工作。比如北京理工大学的智能机器人研究所、上海交通大学微纳米科学技术研究院和国防科技大学机器人实验室 5。然而与国外
20、的迅猛发展相对比，我国无论在科研还是商业领域都少有关于四轴飞行器报道，从发展现状来看，与国外存在着很大的差距。1.3 四轴飞行器发展趋势最早的飞行器动力源是发条装置，没有控制系统，完全依靠人力手动控制。Georges de Bothezat 在美国俄亥俄州制造的大型四轴飞行器是由四个发动机带动的，控制系统为纯机械控制，无电子控制 8。而到了近代，随着 MEMS 技术的发展，惯性导航技术的成熟，控制系统被融入了计算机。由控制系统为中心的飞行控制技术也成为了四旋翼飞行器乃至无人机的基本技术，并拥有了很多的研究成果，比如：反馈线性化；由南斯拉夫科学家 Kokotovic 发展起来的能够处理非线性不确定性的影响的反步控制；由前苏联学者 Emelyaanov 提出的，具有快速响应，和高鲁棒性特点的滑膜变结构控制 9；还有典型的 PID 控
