1、 本科毕业设计（论文） ( 2012 届 ) 题 目： 四旋翼飞行器遥控发射接收系统设计 分 院 : 信息 工程 分院 专 业 : 电气工程及其自动化 班 级 : 12 电气 本 1 姓 名 : 赵浩锋 学 号 : 12303653144 指导老师 : 孙跃 完成时间 : 2016 年 3 月 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） I 温州大学城市学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得 温州大学城市学院 或其它教育机构的
2、学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期： 年 月 日 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 温州大学城市学院 可以将本学位 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。 本学位论文属于 1、保密 ，在 _年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 （请在以上相应方框内打 “”） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名
3、： 日期： 年 月 日 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） II 摘要 ： 四旋翼飞行器以其结构新颖、机动性强、性能卓越等特点，使其在军事、民用及科技领域都有很强的研究和应用价值。 由于它用四个螺旋桨进行飞行，因此它的飞行姿态保持能力比单旋翼飞行器更强 ，升降所需要的空间也较小，且其在障碍物较多的情况下仍具有很强的操纵性。 根据这些特点四旋翼飞行器比单旋翼飞行器更适合在室内、街道、森林等复杂环境下的进行拍摄和救灾工作。 本文以 STM32 处理器为核心；无线数据通讯模块采用的是 NRF21L01 模块实现 。 经过试验，飞行器能够准确接收到来自地面的控制指令并完成相应的飞行任务，实现垂直起
4、降、悬停等飞行姿态。 关键词： 四旋翼飞行器；无线通信；微控制器 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） III Abstract： Four-rotor aircraft for its novel structure, high mobility, high performance features, making the military, civilian and scientific and technological fields have a strong research and application. Because it uses four propellers flig
5、ht, flight attitude so that the ability to maintain greater than single-rotor, the space required for the lift is small, and it still has a strong maneuverability in case more obstacle. According to these characteristics four-rotor aircraft more suitable than single-rotor aircraft shooting and relie
6、f work in the interior, streets, forests and other complex environments. In this paper, core processor is used STM32; wireless data communication module is used NRF21L01 modules. After testing, the aircraft can accurately control commands received from the ground and complete the mission, achieve ve
7、rtical takeoff and landing, hovering and other flying attitude. Key Words： Four-rotor aircraft; Wireless communication; Microcontroller 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） IV 目 录 摘要 .II Abstract . III 一、绪论 . 1 （一）课题研究的目的和意义 . 1 （二）国内外发展及研究现状 . 1 1.国内四旋翼飞行器的研究 . 1 2. 国外四旋翼飞行器的研究 . 1 二、总体方案设计 . 3 （一）总体设计原理 . 3 （二）总体设
8、计方案 . 3 1.系统硬件电路设计方案 . 3 2.各部分功能作用 . 3 3.系统软件设计方案 . 4 三、硬件电路设计 . 5 2.无线通信模块电路设计 . 6 3.实物介绍 . 9 四、系统软件设计 .10 （一） Keil MDK5.12 简介 .10 1 Keil MDK 概述 .10 2. Keil MDK 功能特点 .10 （二）软件设计框图 .10 结论 .12 致 谢 .13 参考文献 .14 附录 .15 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） 1 一、 绪论 本章主 要介绍了 关于 四旋翼飞行器研究的背 景和 意义，和 国内外 高校以及研究机构 对四旋翼飞行器研究的现状
9、。本章主要由 课题研究的目的 和意义，国内外四旋翼飞行器的研究和论文的主要研究内容等几个部分组成。 （一） 课题研究的目的和意义 随着微电子、微导航、微机电技术的广泛运用，无人机技术很快就在全世界范围内掀起了研究热潮，并得到了快速且长足的发展。相对于其他无人机而言，四旋翼飞行器的结构较为简单，成本也相对较低，方便维修和护理。除此之外，四旋翼飞行器还具有体积小、重量轻、控制灵活方便、可垂直起降、悬停等特点，不论是在军事领域或是民用领域都得到了非常广泛的运用 。 （二）国内外发展及研究现状 1.国内四旋翼飞行器的研究 目前 ，我国的一些高校和科研机构在四旋翼飞行器的研究上也取得了长足的发 展 。比
10、如国防科技大学，哈尔滨工业大学和南京航空航天大学等。国防科技大学早就在 2004 年开始研究微小型飞行器的相关技术，是我国最早一批开展对四旋翼飞行器研究的高校之一，他们使用了自抗扰控制器（ ADRC）算法以及反步法这两种方法来对四旋翼飞行器的控制系统进行设计。在接下来的几年里，南京航空航天大学、南京理工大学等等高校也进行了对四旋翼飞行器的理论分析和计算机仿真，并都制作了属于自己的四旋翼飞行器。 同时，四旋翼飞行器在商业上的应用也越来越广泛，在 2013 年 9 月 3 日，顺丰就在广东东莞 松山湖区域进行了无人机送货内测。顺丰自主研发了该无人机的内置导航系统，该飞行器飞行高度约为 100米，落
11、点误差基本上能够控制在方圆两米以内，同时可以对路线和目的地来进行预先设定。如果测试可行，就可以大量减少人力成本。 除此以外，越来越多的四旋翼飞行器以一种娱乐设备的形式出现在大众的视线里。通常这种四旋翼飞行器都携带着摄像头，用户可以通过手持设备来对飞行器进行控制， 以此来给用户带来乐趣。 2. 国外四旋翼飞行 器的研究 国外 四旋翼飞行器的发展非常迅速，因为他们在这一领域已经拥有了非常悠久的历史，同时还有着深厚底蕴的研发团队。 四旋翼飞行器在多旋翼无人飞行器中是 较 为 常见的一种类型 ,其对硬件平台的要求较高 ,相应的 难度 也 较大 。国外有很多高校和科研机构都做出了一定的成果，有进行室外研
12、究和室内研究的，其中进行室外研究的有 美国斯坦福大学 ， 日本千叶大学 以及 美国奥克兰大学 和 法国贡比涅技术大学 等。进行室内的有 美国麻省理工大学 ， 美国宾夕法尼亚大学 和 瑞士联邦技术机构 等。除了高校和科研单位，国外的一些商业公司也加入到对四旋翼飞行器的研究 行列，如 美国的 Draganfly 公司 和 德国 的Microdrone GbmH 公司等 。 近年来，国外研发了很多高性能的飞行器。在欧美发达国家四旋翼飞行器已经在军事和商业领域都取得了非常显著的成就。其中比较具有代表性的就是 Draganflyer X4、 Parrot AR.Drone Quadricopter。 温
13、州大学城市学院本科毕业设计 （论文） 2 Draganflyer X4 是美国 Draganfly Innovations Inc 研发的遥控飞机。如图 1.1 所示。该飞行器具有良好的可靠性和稳定性， 并且 它还具有悬浮功能，对于拍摄有很大的帮助。当控制器失控 时，它甚至可以实现自动着陆，从而保证飞行器和摄像设备的安全。 图 1. 1 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） 3 二、 总体方案设计 （一）总体设计原理 本次设计硬件主要为遥控器 部分，处理器 采用 32 位基于 Cortex-M3 内核 的 STM32F103 芯片，遥控器和飞行器之间的数据通信 采用 的是 2.4G 民用无线
14、通信频段的 NRF24L01 模块 。遥控器外型 类似与游戏手柄 。遥控器通过采集蘑菇头摇杆电位器 ADC 电压值以及按键状态发送给飞行器。 （二） 总体设计方案 1.系统硬件电路设计方案 本次设计采用 IAP15W4K58S4 微控制器作为 MCU，并且均采用 3.7V 充电电池作为电源为系统供电， 电池通过 CAT2829 芯片稳压到 3.3V 为 MCU 以及外设供电。遥控器端的主要硬件部分包括最小系统、无线 NRF24L01 模块、程序下载、 ADC 采集、蜂鸣器、 LED 指示灯以及串口调试，飞行器端硬件主要部分有最小系统、程序下载，无线 NRF24L01 模块、电机驱动、惯性测量单
15、元 MPU6050 以及 LED驱动电路，其系统总体框图 如下 所示。 - 2.各部分功能作用 （ 1） MCU 控制中心 MCU 是飞行器以及遥控器的控制中心，是它们的大脑，主要功能是采集数据和处理数据并做出指示。本次设计采用的是 32 位的基于 ARM Cortex-3 为内核的 STM32F103 作为中央处理器。 （ 2）通信模块 通信模块在整个系统中起着信号交流的作用，遥控器通过 MCU 读取的按键信息以及油门方向值发NRF24L01无线模块 NRF24L01无线模块 遥控器MCU 摇杆控制 状态显示 LED 电源 蜂鸣器 按钮 遥控器MCU 电源 状态显示 LED 电池电量监控 惯
16、性测量单元 复位 电机驱动 串口调试 程序下载 串口调试 程序下载 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） 4 送到飞行器端，飞行器端接收到之后做出相应的动作。本次设计主要采用 NRF24L01 无线通信模块，选择该模块的原因是因其通信协议简单、传输距离相对较远、价格低廉等优点。 （ 3） LED 状态指示 在硬件电路设计中， LED 首先必须要有电源指示灯，从而判断系统是否上电。同时还需要有信号指示灯，指示遥控器和飞行器是否通信，最后就是状态显示 LED 灯显示飞行器状态等等。 3.系统软件设计方案 本次设计软件部分包括遥控器程序以及飞行器的接收程序设计。遥控器程序设计主要包括有无线NRF2
17、4L01 发送、 ADC 电压采集之后的处理、读取按键状态和 LED 灯指示等，涉及的软件包括 SPI 通信协议、 ADC 数模转换、 I/O 口驱动等。飞行器端程序涉及部分主要包括 NRF24L01 接收、 LED 状态灯等。 温州大学城市学院本科毕业设计 （论文） 5 三 、 硬件电路设计 （一）遥控器的硬件设计 如图 3.1 所示，遥控器 主要 由 处理器、无线收发模块和 4 路摇杆器三部分组成。 主处理器及其 最小系统的电路和飞行器的电路相同。主要利用处理器片内的 AD 转换器采集摇杆的信息，然后 将四路电位器的输出引脚接到处理器的 AD 转换口，免去了外接 AD 转换芯片以及 配置电
18、路的麻烦，大大节省了硬件空间。无线收发模块选用 E01-ML01DP3 无线通信模块 模块，传输距离大概在1100m 左右。 图 3. 1 遥控硬件配置： MCU： STM32F103 72Mhz 传感器： MPU6050 3 轴加速度、三轴陀螺仪 通信方式： NRF24L01、串口蓝牙、串口 WIFI、串口 433 等 通信芯片： FT232 串口芯片，串口波特率可以上 M，轻松稳定高速通信 1. 处理器 （ 1） 针对各公司单片机的优缺点比较 从总体上来讲， ARM 的控制能力较强，速度快功耗也低，价格也适中，同时还可以加操作系统；DSP 的速度最快，但同时价格更高，更适用于高速信号处理系
19、统； C51 更适用于简单的控制，编程也简单方便，同时价格也更加实惠。 从运算能力上看，因为 C51 是 8 位的； ARM 是 32 位； DSP 有 16 位，以及更高的。所以 C51 最弱，DSP 最强， ARM 比较中庸。 从结构上看， C51 是一般的冯诺依曼结构， ARM 和 DSP 一般采用哈佛结构。 从频率上看， C51 工作频率最低，一般为 1024MHz，因此功耗也低。 ARM 的功率一般在几十到200MHz 之间。而 DSP 的频率高达 300MHz 以上，同时功耗也大。 虽然 C51 的性能远不如其他两种，但它的性价比很高，面积也非常小，还能配比非常丰富的外围电路，同时，这些也限制了它的使用，因此 C51 主要应用于不需要太多计算量的系统。 ARM 相对于其他两种的优点在于其内部 的模块或者总线接口功能十分丰富。同时， ROM， RAM较大，管脚也多。 （ 2） 芯片简介 ARM Cortex-M3 采用哈佛结构，采用的是分离的指令以及数据总线，相比于冯诺依曼结构而言处理速度更快。
