四旋翼无人机毕业设计.doc

1、 渤海 大学 本科 毕业 论文 （ 设计 ） 四旋翼无人机设计与制作 The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle 学 院（系）： 专 业： 学 号： 学 生 姓 名： 入 学 年 度 ： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 四旋翼无人机设计与制作 - I - 摘 要 四旋翼 无人机 飞行器因 为 它的 结构简单， 而且 控制起来 也很 方便，因此 它 成为 了近几年来发展 起来 的热门产业 。 在这里本文 详细 的 介绍了四旋翼飞行器的设计和制作的 过程，其中包括 了 四旋翼 无人机 飞行器的飞行原理，硬件的

2、介绍和选型， 姿态参考算法的 推导 和 实现 ，系统软件 的具体实现。 该四旋翼飞行器 控制系统 以 STM32f103zet单片机为核心， 根据 各个 传感器 的 特点 ，采用不同的校正方法对各个传感器数据进行校正以及低通数字滤波处理，之后设计了互补滤波器对姿态进行最优估计，实现精确的姿态测量 。最后结合 GPS 控制与姿态控制叠加进行 PID 控制四旋翼飞行器的四个电机，来达到实现各种飞行动作的目的。 在制作四旋翼飞行器的过程中，进行了大量的 调试 并且 与现有优秀算法做对比验证 ， 最终设计出能够 稳定飞行的四旋翼无人机飞行器 。 关键词 ： 姿态 传感器；四元数 姿态 解算 ； STM

3、32 微型 处理器；数据融合； PID 四旋翼无人机设计与制作 - II - The Manufacture and Design of Quad Rotor Unmanned Aerial Vehicle Abstract Quad-rotor unmanned aerial vehicle aircraft have a simple structure, and it is very easy to control, so it has become popular in recent years. Here article describes in detail the design

4、and the process of making the four-rotor aircraft, including Quad-rotor UAV aircraft flight principle, hardware introduction and selection, implementation and realization of derivation attitude reference algorithm, the system software . The Quad-rotor aircraft control system STM32f103zet microcontro

5、ller core, and the advantages and disadvantages based on the accelerometer sensor, a gyro sensor and electronic compass sensors using different correction methods for correcting various sensor data and low-pass digital filter processing, after design complementary filter to estimate the optimal post

6、ure, precise attitude measurement. Finally, GPS control and attitude control PID control is superimposed four-rotor aircraft four motors to achieve a variety of flight maneuvers to achieve the purpose. Four-rotor aircraft in the production process, a lot of debugging and do comparison with the exist

7、ing excellent algorithm validation, the final design to stabilize the Quad-rotor UAV flying aircraft. Key Words： MEMS Sensor; Quaternion; STM32 Processor; Data Fusion; PID 四旋翼无人机设计与制作 - III - 目 录 摘 要 . I Abstract .II 1 绪论 . 1 1.1 研究背景及意义 . 1 1.2 国内外四旋翼飞行器的研究现状 . 1 1.2.1 国外四旋翼飞行器的研究现状 . 1 1.2.2 国内四旋翼

8、飞行器的研究现状 . 3 1.3 本文研究内容和方法 . 4 2 四旋翼飞行器工作原理 . 5 2.1 四旋翼飞行器的飞行原理 . 5 2.2 四旋翼飞行器系统结构 . 5 3 四旋翼飞行器硬件系统设计 . 7 3.1 微惯性组合系统传感器组成 . 7 3.1.1 MEMS 陀螺仪传感器 . 7 3.1.2 MEMS 加速度计传感器 . 7 3.1.3 三轴数字罗盘传感器 . 8 3.2 姿态测量系统传感器选型 . 8 3.3 电源系统设计 . 10 3.4 其它硬件模块 . 10 3.4.1 无线通信模块 . 10 3.4.2 电机和电机驱动模块 . 11 3.4.3 机架和螺旋桨的选型 .

9、 12 3.4.4 遥控控制模块 . 13 4 四旋翼飞行器姿态参考系统设计 . 15 4.1 姿态参考系统原理 . 15 4.2 传感器信号处理 . 16 4.2.1 加速度传感器信号处理 . 16 4.2.2 陀螺仪信号处理 . 16 4.2.3 电子罗盘信号处理 . 17 4.3 坐标系 . 17 4.4 姿态角定义 . 18 4.5 四元数姿态解算算法 . 19 4.6 校准载体航向角 . 27 5 四旋翼飞行器系统软件设计 . 29 5.1 系统程序设计 . 29 5.1.1 姿态参考系统软件设计 . 29 5.1.2 PID 控制算法设计 . 30 结论 . 32 参 考 文 献

10、. 33 四旋翼无人机设计与制作 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 随着 MEMS 传感器、无刷电机、单片机以及锂电池技术的发展，四旋翼飞行器现在已经 成为航模界的后起之秀。 与 固定翼飞行器相比 之下四旋翼飞行器具有结构简单， 控制 起来非常 方便 ， 能够 垂直起降，成本 非常的 低 、稳定性 也 高 ， 机动性 非常 强等特点。在 民 用 可以代替 有人机 完成一些任务，在军事上有很强的战场生存能力。因此在这些 领域 应用广泛 ，如军事 侦查 、农林业调查、灾害 检测 、输电线巡查、玩具 航模 、航拍 、气象探测 等。四 旋翼 飞行器 的 飞行原理 虽然 简单， 但是涉及到的知识面非

11、常的广 1，从机体 结构 的设计、传感器 滤波 算法、控制系统的设计 和 软件的 设计 都需要 理论的 支持 。 本次设计 针对四 旋翼 飞行器 姿态 控制系统进行 更深入的 研究，它的研究将推动中国四 旋翼 飞行器的研究发展，为四 旋翼 飞行器在 环境保护 、气象、 火灾 、侦查追踪等民用 和军 用领域实现产业化作出 突出 贡献 。廉价 并且 高性能的飞行器的研究将会 拥有 巨大的经济效益， 能够对 我国的科研事业 起到巨大的推动作用 。 1.2 国内外 四旋翼 飞行器 的 研究现状 1.2.1 国外四旋翼飞行器的 研究 现状 目前国外四 旋翼 飞行器的研究也是主要集中在飞行 器 姿态 控制

12、系统的新的理论的研究 ,比如 ： 神经元网络控制算法、模糊 自适应 控制算法等。国外 还在 四 旋翼 飞行器的自主飞行以及多机协同运作等方面 有很多 研究。 下面对 一些 四旋翼飞行器 进行 简单 的 介绍： 首先非常 具有代表性的是美国 Draganflyer 公司研发 出来 的 Draganflyer 系列四旋翼飞行 器 2， 如 图 1.1 所示 。 这种 四旋翼飞行器主要使用碳纤 材料 制作，因其载重能力强能携带高清摄像机，因此主要用途为航拍。另外 还有 Parrot 公司 研发的 AR.Drone飞行器也是非常具有代表性，如图 1.2 所示。 AR.Drone 可以 用 手机 远程控

13、制，使用MEMS 高精度姿态 传感器，并且配备多 种 传感器 和 摄像头 ， 使 AR.Drone 可以非常轻松地进行飞行任务 3。 德国在四旋翼飞行器研究方面也具有较高的水平，德国的 MicroDrones 公司推出的 一款四旋翼飞行器 MD4-2004，如图 1.3 所示 。该型号飞行器采用全碳纤工艺制作，负载 能力强，而且非常省电。 该 型号 飞行器配备有 GPS 卫星导航系统和摄像设备，四旋翼无人机设计与制作 2 能够 很 轻 松 的 在 室 内 和 室 外 执 行 航 拍 任 务 。图 1.1 DraganflyerX4 四旋翼飞行器 图 1.2 AR.Drone 飞行器 现在 许多

14、 科研 院所 已开始 开展四旋翼飞行器 相关 科研项目， 主要是针对 四旋翼飞行器 系统建模 的 研究 和 四旋翼飞行器 飞行功能 的实现 。美国宾夕法尼亚大 学 GRASP实验室设计 出了 一种能 够 编队飞行的四旋翼无人机飞行器，在这些飞行器上都安装有光源，通过安装在室内墙壁上的摄像头 设备 进行拍摄， 从而 确 定飞行器的 空间 位置并且对其进行编队飞行控制 操作 ，如图 1.4 所示。 麻省理工学院设计的一款可以在室内进行地图测绘，定位和壁障的四旋翼无人飞行器系统，该系统通过激光雷达对周围环境进行测量， 而且能够 自动生成三维地图数据，并 且 根据周围的环境进行自主壁障和飞行路径规划，

15、可以用于为危险 环境的探测和搜救，如图 1.5 所示。 图 1.3 德国 MD4-200 四旋翼飞行器 图 1.4 宾夕法尼亚大学四旋翼编队飞行 四旋翼无人机设计与制作 3 1.2.2 国 内 四旋翼飞行器的 研究 现状 现今四旋翼飞行器的研究在国内逐渐发展壮大并且已 经形成产业。 目前 国内 己经有许 多 公司 (如 Dj 大疆公司 )将四旋翼飞行器 应用于 商业化，如图 1.6 所示。 图 1.5 麻省理工学院四旋翼飞行器 图 1.6 大疆四旋翼飞行器 目前对四旋翼飞行器的研究主要集中在以下几个方面： (1)四旋翼飞行器的姿态控制。 四 旋翼飞行器研究的最主要技术难点在于对飞行姿态的控制。

16、因其旋翼多，因此 四 旋翼飞行器比传统 的 直升机控制起来复杂。目前该领域的研究方向主要集中在飞行器的数学建模、控制算法和滤波算法。目前主要的研究算法有刚体旋转理论、非线 性滤波法、四元数、捷联惯导算法、 PID 控制算法、模糊 自适应 控制等。 (2)适合于 四 旋翼飞行器的新的传感器技术的发展，国内外逐渐出现了通用的整合于一体的传感器模块，例如 MPU6050 传感器 就是把加速度计和陀螺仪集成在一起 。 (3)电机和电池领域的发展。近些年来，无刷电机和空心杯电机 的 进一步普及和应用于 四 旋翼飞行器上， 四 旋翼飞行器的动力 得到了很大程度的 提高 。锂电池 和 燃料电池的出现和应用

17、大大 增加了飞行器的 续航能力。 (4)GPS 的发展。随着卫星定位技术的发展壮大， GPS 也逐渐应用于旋翼飞行器，人们可以不用害怕飞行 器故障之后会不会找不到，因为我们可以用 GPS 进行卫星定位，而且还可以设置航点，实现飞行器的自主飞行。 (5)无线传输模块的发展。现如今无线传输可以应用的范围越来越广泛，蓝牙、WIFI 等无线传输方式越来越被普遍应用到飞行器上，从而实现手机的遥控控制。 四旋翼无人机设计与制作 4 1.3 本文研究内容和方法 本文 研究基于 MEMS 传感器的姿态参考系统，通过对 姿态测量 传感器数据的分析，设计 出了有效去噪的 滤波方法；通过 大量的查找资料对 姿态解算

18、算法和数据融合算法 有了更深的 理解， 最后应用于设计的飞行控制器上 实现了 姿态 角的测量 。最后通过 大量 的 实验验 证 了它们的准确性 ，实验数据和曲线验证了该姿态参考系统能够稳定的工作，具有很好地工作性能。 本文一共分为 五 章，主要内容安排如下： 第一章 绪论部分主要 介绍了 该 项目的研究背景及意义、 四旋翼飞行器在国内外的研究现状和发展趋势 。 第二章主要介绍了四旋翼飞行器的飞行原理和系统结构框架。 第 三 章 详细介绍了四旋翼无人机控制系统的硬件设计的工作。 介绍了 MEMS 传感器的原理、特性和型号的选择和硬件电路图。 飞行器 控制 芯片选择 STM32， 外围电路 包括

19、有姿态测量 系统、电源模块、无线通讯、串口通讯、电机驱动、遥控器控制电路 、 GPS 模块 。 第 四 章说明了姿态参考系统的 核心算法 -捷联惯性导航算法的研究和实现过程。 第 五 章针对软件 实现部分 进行了介绍 ，给出了编程的软件流程图 和串级 PID 控制和定高控制方法 。 最后 对 本次设计 进行了总结，提出了不足 之处 并对今后的研究工作进行了展望。 四旋翼无人机设计与制作 5 2 四旋翼飞行器 工作原理 2.1 四旋翼飞行器的 飞行 原理 四旋翼飞行器有两种模式，也就是 X 字模式（如图 2.1 所示）和十字模式（如图2.2 所示） 。 其实 这两种模式差别不大，到 X 模式使用

20、广泛，因此 我们采用 X 字模式 。四旋翼飞行器的 四个电机 对称 分布在各个轴上 ，并且同 一条轴线上电机的旋转方向要保证相同 ， 相邻的电机旋转方向相反 5。 如果 电机 1、 3 按照逆时针方向旋转的话，电机 2 、 4 就要按照顺时针方向旋转 ，这样做 为了克服反扭矩 的 影响 。 我们要通过 控制 4 个电机的转速 来完成飞行器俯仰、横滚、偏航等动作 。 图 2.1 X 型四旋翼飞行器模型 图 2.2 十字型四旋翼飞行器模型 2.2 四旋翼飞行器系统结构 四旋翼无人机采用模块化设 计 ， 如图 2.3 所示。分别由控制模块 、 姿态测量系统 、电源 供电系统 、无线通信模块、 GPS

21、 卫星定位系统、遥控器控制模块、电机驱动模块、串口通信模块、地面站系统。 四旋翼飞行器控制器的核心任务是姿态的测量，它的作用是为飞行器控制系统提供实时、精确的飞行状态测量数据。常见的四旋翼 飞行器 人们大多 是 采用基于 MEMS传感器 来 测量 飞行器姿态 数据 6。 但是这些初始的 传感器数据 并不能直接应用于姿态解算，需要对传感器数据进行滤波处理 ， 并且需要 对 陀螺仪 漂移 问题 进行实时 的数据1234xy1234xy四旋翼无人机设计与制作 6 补偿， 这样做能够有效提高飞行器姿态测量精度，确保控制系统的 姿态角的准确性和稳定性。 I I CP W M输 出S T M 3 2 f

22、1 0 3U S A R TS P I T I M E R电 子调 速器无 刷电 机电 源 模 块遥 控 接 收 器遥 控 器电 源系 统无 线 模 块地 面 站三 轴 加 速 度 计 和 三轴 陀 螺 仪三 轴 数 字 罗 盘U S A R TG P S超 声 波 传 感 器图 2.3 四旋翼飞行器系统结构框架 四旋翼飞行器的 主控板选择的 是 意法半导体公司生产的 STM32f103zet 芯片 ，STM32 系列的单片机是基于 Cortex-M3 内核的处理器，功耗低，处理速度非常 快，最高工作频率可达 72MHz， 7 通道 DMA 控制器，支持定时器、 ADC、 SPI、 IIC、

23、USART等外设，多达 112 个 I/O 口， 8 个 Timer 定时器， 5 个串行 USART 接口， 3 个 SPI接口 ， 2 个 IIC 接口 7。 电源模块采 用 11.1V 锂电池外部供电，连接电子调速器为控制器提供 5V 电压。控制器上还有 3.3V 稳压芯片，为控制芯片供电。 遥控器控制模块，控制器对遥控器数据进行捕获处理该部分我们通过对 STM32定时器进行输入捕获配置，捕获接收机发出的 PWM 信号，把该信号转化成控制量在经过 PID 控制把输出量给四个电机，进而控制飞行器的动作。 GPS 卫星定位导航系统， 配合上位机在上位机上输入一些 GPS 坐标点， 控制系统 就 会 自动生成 航线， 并且 能够 从 GPS 系统中读取定位数据 8，并 且 与存储的定位坐标做实时 的对比 ， 然后 修正航线，将定位坐标显示 在 上位机 上，处理并显示当前位置。