1、四旋翼自主飞行器设计摘 要查重 32四旋翼飞行器也称四轴飞行器，四轴飞行器是近几年来开始流行的一种小型飞行器，因其简单的构造，起飞降落相对于传统飞行器需要的空间小，以及四轴飞行器操作灵活，易于控制，飞行能力出色，可以用做航拍、侦查等工具，在以后的民用和军用领域将会有巨大的前景。目前，四轴飞行器的研究处于起步阶段，技术还不是很成熟，加上四轴飞行器具有不稳定行，非线性等特性，四轴的设计对于稳定性的要求就非常重要。本次设计中，需要实现四轴飞行器的垂直起飞和降落等设计要求，控制四轴飞行器方法是采取的姿态控制，该控制系统主要由 2.4GHz 的 NRF24l01 无线发送模块，STM32 微处理器，MP
2、U6050 陀螺仪，加速度计组成。通过无刷直流电机给四轴提供飞行动力。最后通过上位机，调节 PID 参数，实现四轴飞行器飞行要求。关键词：四轴飞行器；姿态控制；PID 调节四旋翼自主飞行器设计IAbstractFour-rotor aircraft, also known as Four aircraft, four aircraft in recent years become popular , because of its simple structure, taking off and landing aircraft with respect to the traditional s
3、mall space required, and flexible Four aircraft operation, easy to control , the ability to fly well, can be used as aerial photography, and other investigative tools. In the future civilian and military fields will be a huge prospect. Currently, the research of axis aircraft in its infancy, is not
4、very mature , coupled with an unstable aircraft axis line, nonlinear characteristics, four design requirements for stability is very important. In this design, the need to achieve four-axis vertical takeoff and landing aircraft such as the design requirements, the control method is to take the aircr
5、aft axis attitude control, the control system consists of a 2.4GHz wireless transmitter module nrf24l01, stm32 microprocessor, mpu6050 gyro instrument, accelerometers. Provide flight powered by a brushless DC motor to the axis. Finally, through the PC, adjust PID parameters to achieve Four aircraft
6、flight requirements.Key Words：four-rotor aircraft ；attitude control；PID regulator四旋翼自主飞行器设计II四旋翼自主飞行器设计目 录摘 要 .IAbstract .II1 概述 .11.1 研究背景 .11.2 国内外现状 .11.3 本次设计的主要内容 .22 四轴飞行器的硬件设计 .22.1 四轴飞行器的飞行原理 .22.1.1 垂直运动 .32.1.2 俯仰运动 .32.1.3 滚转运动 .42.1.4 偏航运动 .42.1.5 前后运动 .42.2 四轴飞行器的硬件设计思路 .52.2.1 姿态测量系统 .
7、62.2.2 电机驱动模块 .62.2.3 主控制模块 .62.2.4 电机驱动模块 .72.2.5 无线通信模块 .72.2.6 电源模块 .73 硬件设计 .73.1 器件清单列表 .73.2 模块的介绍 .83.2.1 上位机 .83.2.2 NRF24l01 收发模块 .93.2.3 MPU6050 模块 .103.2.4 STM32 芯片 .113.2.5 电调 .133.2.6 无刷电机 .134 控制部分 .144.1 姿态控制系统功能 .154.2 姿态解算 .164.3 PID 控制 .16结 语 .18致 谢 .19参考文献 .20附 件 一 .21附 件 二 .27四旋翼
8、自主飞行器设计01 概述1.1 研究背景 四旋翼飞行器也称四轴飞行器，简称四轴、四旋翼，是一种有 4个螺旋桨且螺旋桨呈十字形交叉的飞行器。近几年随着微机电系统（MEMS）的兴起，各种微处理器性能的完善，四轴飞行器的发展十分迅猛。四轴飞行器利用有四个无刷电机来提供动力进行空中飞行，它的尺寸较小、重量较轻、可以携带一定的负载，有自己独特的应用，像航拍等。同时可以完成一些复杂、困难的任务。随着理论技术的日趋成熟，以及控制系统理论的完善，四轴飞行器性能也越来越强大，不久的将来，各种各样的四轴产品将会运用到社会生活的各个领域，军事领域、工业领域、生活领域，都将会看到四轴飞行器的身影。也许，科幻电影里的航
9、空城不在是梦想，四轴飞行器可能就是我们常用的交通工具，就像现在的汽车一样。四轴飞行器与传统飞行器相比有许多优势，像灵活性、机动性远远强于传统的飞行器。因为它的种种优点，研究四轴飞行器是必要的，在未来的航空领域中，四轴飞行器的地位举足轻重。1.2 国内外现状早在上个世纪中叶，多旋翼飞行器就已经受到了海外一些研究机构的瞩目。多旋翼飞行器虽然机械构造与飞行原理都很简单，但对传感器类与控制理论上的要求非常高,所以一直到本世纪初期，MEMS 传感器技术及嵌入式控制系统科技的高速发展使得多旋翼无人机的研究终于得到了突破。特别是欧美的一些先进国家，在小型，超小型无人机研究领域中，多旋翼无人机已逐步取代直升机
10、式无人机，成为旋翼无人机研究的主流。欧美据有代表性的科研团队有美国的 MIT，德国的 Ascending Technology，法国的 Hesychastic，美国的 Pennsylvania 等。作为产品来开发的主要有Micro Drones,Dragonfly,Micropterous 等企业。这些团队与企业早在本世纪初期就已经着手于多旋翼无人机的研究开发，分别在 06，07 年前后研发出各自的新型机体，并在市场上开始了贩卖。日本也计划在明年将开发的 6 浆飞行器产业化，用于喷洒农药。中国国内对多旋翼无人机的开发四旋翼自主飞行器设计1起步较晚，至今仍然远落后于欧美与日本。代表性的机构有南航
11、、北航、国防科技大学、中南大学、吉林大学等。大多数的无人机科研机构至今仍然停留在理论探讨及模拟上。南航、北航等少数科研机构虽制作出了样机，但因缺乏多旋翼机控制上的核心技术与经验，无法得到满意的飞行性能，至今尚未有性能稳定的多旋翼无人机研制成功的报道。随着科技的发展，无人机的应用领域已逐渐从军用过渡到民用，警用。低造价，高飞行性能的多旋翼无人机无疑会对这个过渡起到一个极大的推动作用。在气象勘测，灾情调查，环境保护等民用领域都有着很大的需求空间。各界人士已经提出了对多旋翼无人机的期待希望未来的几年，国内对多旋翼无人机的研发能够取得突破，研发出中国自己的高性能无人机。1.3 本次设计的主要内容本设计
12、主要通过 STM32 微处理器采集 3 轴加速度传感器和 3 轴陀螺仪对飞行器的姿态进行检测，控制 4 个高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器的悬停、升降、前后左右移动，控制四轴飞行器方法是采取的姿态控制，该控制系统主要由 2.4GHz 的 NRF24l01 无线发送模块，STM2 微处理器，MPU6050 陀螺仪，加速度计组成。通过无刷直流电机给四轴提供飞行动力。最后通过上位机，调节 PID 参数，实现四轴飞行器飞行要求。设计实现的主要功能：（1)通过加速度传感器识别飞行器倾斜状态并控制；（2)通过陀螺仪传感器识别飞行器的姿态并实现控制；（3)控制 4 个无刷电机实现飞行器运动；（4)通过
13、2.4GHz NRF24l01 无线通讯模块与上位机进行通讯接收命令。2 四轴飞行器的硬件设计2.1 四轴飞行器的飞行原理四轴飞行器结构形式如图所示，由四个呈十字交叉的螺旋桨组成，电机 1 和电机 3 逆时针旋转的同时，电机 2 和电机 4 顺时针旋转。四轴飞行器在空间有六个自由度，可以分别沿 X、Y、Z 轴做平移和旋转。四旋翼自主飞行器设计2图 2-1 四轴飞行器样图通过调节各个电机的不同转速，可以使飞行器实现以下飞行状态：2.1.1 垂直运动如图（a）所示（沿 Z 轴），垂直运动时四轴飞行器最简单也是最容易实现的控制状态。保持电机 1、2、3、4 的转速相同，它们产生的扭矩刚好可以相互平衡
14、，四轴不会发生水平面内的旋转，逐渐增大电机的转速，当产飞行器产生的升力可以克服自身的重力，飞行器就可以实现垂直向上运动；当升力与重力相等时，飞行器实现悬停；降低飞机的转速，飞行器垂直向下运动，直至降落。2.1.2 俯仰运动在图（b）中，使电机 1 的转速上升，同时使电机 3 的转速下降，而电机 2、电机 4 的转速保持不变。在这个过程中，电机 1 和电机 3 改变量应该大小相等。当电机 1 和电机 3 产生的不平衡扭矩达到一定的时候，飞行器将绕 y 轴旋转（方向如图所示）。同理，当电机 1 的转速下降，电机3 的转速上升，机身便绕 y 轴向另一个方向旋转，实现飞行器的俯仰运动。四旋翼自主飞行器
15、设计3图 2-2 四轴飞行器飞行动力原理2.1.3 滚转运动 滚转运动和俯仰运动原理相同，区别在于一个是沿 Y 轴，一个是沿 X轴。效果如图 c 所示。2.1.4 偏航运动 四轴飞行器的电机两个正转两个反转，当它们转速相同的扭矩为零。当四个电机转速不完全相同时，不平衡的反扭矩会引起四旋翼飞行器转动。如图 d 所示，当电机 1 和电机 3 的转速上升，电机 2 和电机 4 的转速下降时，旋翼 1 和旋翼 3 对机身的反扭矩大于旋翼 2 和旋翼 4 对机身的反扭矩，机身便在多余反扭矩的作用下绕 z 轴转动，实现飞行器的偏航运动，转向与电机 1、电机 3 的转向相反。图 2-3 四轴飞行器飞行动力原
16、理2.1.5 前后运动在图 e 中，增加电机 3 转速，使拉力增大，相应减小电机 1 转速，使拉力减小，同时保持其它两个电机转速不变，反扭矩仍然要保持平衡。按图 b 的理论，飞行器首先发生一定程度的倾斜，从而使旋翼拉力产生水平四旋翼自主飞行器设计4分量，因此可以实现飞行器的前飞运动。向后飞行与向前飞行正好相反。当然在图 b 图 c 中，飞行器在产生俯仰、翻滚运动的同时也会产生沿x、y 轴的水平运动。图 2-4 四轴飞行器飞行动力原理2.1.6 倾向运动由于四轴飞行器结构对称，倾向运动和前后运动只是方向不一样，原理完全相同，如图 f 所示。小结：主要讲四轴飞行器的运动原理，由于没有磁场传感器，偏
17、航运动实现不了。2.2 四轴飞行器的硬件设计思路图 2-5 四轴飞行器电气结构图四旋翼自主飞行器设计5实现过程为：接通电源，打开上位机，使上位机和飞行控制器建立联系。MPU6050 会把当前飞行器的姿态角和加速度反馈到上位机，它们之间用 NRF24l01 通信，通信频率为 2.4G,可以满足实时通信的要求。当你需要改变飞行器的飞行状态时，通过鼠标和键盘控制，改变飞行器各个电机的转速，这一过程是通过 STM32 芯片调节电机的占空比实现的。（PWM 调节）2.2.1 姿态测量系统四轴飞行器飞行器在某个时刻的状态由 6 个物理量来描述，包括在三维坐标中的 3 个位置量和沿 3 个轴的姿态量(即称为
18、六自由度)。传感器作为一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。（1）加速度传感器加速度传感器用于测量机身相对于水平面的倾斜角度,利用了地球万有引力，把重力加速度投影到 X,Y,Z 轴上，测量出物体的姿势。（2）陀螺仪利用旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时的不变性，测量外力对物体的影响。跟地球万有引力和地球南北极的磁力具有固定方向性不同，旋转物体的旋转轴方向是不确定的，因而角速度传感器只能用来测量位置改变，而无法像加速度传感器和地磁传感器那样，测量出物体的绝对角度和姿势。2.2.2 电机驱动模块根据中心控制模块指令驱动各个电机到达指定转速，将电机的速度通过测速反馈装置反馈给控制器模块，利用闭环控制来控制电机的转速为预期值。从而实现四轴飞行器不同的飞行状态。2.2.3 主控制模块中心控制模块即飞行控制系统的核心处理器作为整个系统的核心控制部分，主要负责采集传感器检测到的姿态角速率(俯仰角速率、横滚角速率)、三轴的线加速度和航向信息并实时解算；根据检测到的飞行信息，
