1、I摘 要四轴飞行器具备飞行器的所有优点，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查和监视，获取不易获取的情报。能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捡，大型化工现场等人工不容易达到的空间作业。因此，四轴飞行器的研究意义重大。本文主要讨论四轴飞行器的设计实现、建模分析与控制器设计。首先从历史的角度介绍小型四轴飞行器的发展现状，引入现代四轴飞行器的研究，以及运用现代控制理论进行的研究方法和取得的结果。其次是给
2、出本次毕业设计的四轴飞行器样机模型与飞行控制器电路设计。文中着重从机械结构与飞行控制器硬件电路设计方面论述四轴飞行器的设计。文中详细分析了机械结构设计中的元器件选型，实现了一个切实可用，能满足应用研究的四轴飞行器模型。之后分析四轴飞行器的飞行控制原理，在此基础上进行动力学分析，建立四轴飞行器的动力学模型。通过软件设计实现飞行控制器方案，并通过protues 软件践行模拟仿真以讨论其可行性。关键词：四轴飞行器；单片机；飞行控制器；无人机IIABSTRACTThe Keywords: Four aircraft; SCM; Flight controller; UAVIII目 录1. 绪论11.1
3、 国内外研究现状.11.2 本文研究目的及意义.21.3 本文的主要内容.32. 机械结构设计42.1 元器件的选择.42.1.1 四轴飞行器基本工作原理.42.1.2 旋翼和机架的确定.52.1.3 其他小部件的选择.52.2 电机.62.3 总体结构.73. 硬件设计103.1 概述.113.2 硬件电路的设计与选型.113.2.1 飞行控制系统结构.113.2.2 单片机选型及介绍.123.2.3 电机驱动电路.143.2.4 无线通讯与遥控.173.2.5 电源电路设计.183.3 硬件部分整体电路图.194. 软件设计及调试分析204.1 PWM 调速原理分析.204.2 调速部分设
4、计及分析.224.3 红外遥控系统的程序设计.264.3.1 红外发射部分.264.3.2 红外接收部分.284.3.3 键盘设计.315. 调试分析.33IV5.1 Protues 简介.335.2 调试结果分析.37结束语.38致 谢.39参考文献.40附录 A：外文原文.41附录 B：中文翻译.51附录 C：程序源代码.55沈阳理工大学学士学位论文11 绪 论1.1 国内外研究现状四轴飞行器是无人飞行器的一种，也就是智能机器人，四轴指飞行器的动力是由四个旋翼式的飞行引擎提供。人们对于四轴飞行器的研究从军用到民用、商用领域都有涉及。近几十年来，随着现代控制理论与电子控制技术的发展，运用现代
5、控制技术，使用电机代替油动力引擎进行飞行器控制研究。四轴飞行器不需要专门的反扭矩桨，可以通过反扭矩作用使飞行器扭矩平衡。四轴飞行器的飞行控制技术是无人机研究的重点之一。它为为小型无人机的研究和设计创造了新的条件，提供了新的思路。当今国内外针对四轴飞行器的研究都处于快速发展的阶段。随着纳米科技与制造业的迅猛发展以及 MEMS 的蓬勃兴起，四轴飞行器的发展必定会朝着越来越实用化的道路进行。现在看来，四轴飞行器的研究还存在着许多亟待解决的技术难点问题，甚至有些问题很难在短时间内找到合理的解决方法。因此，现阶段能做的就是利用现阶段已经掌握的技术，尽最大可能解决现在面临的问题，只有这样才能使微小型无人机
6、方面的研究不断前进。四轴飞行器的研究领域十分广阔，并且其研究范畴随着研究的不断深入还在继续扩大，而对其中的部分技术问题开展一些探索性研究工作也是本课题的目的所在。揭开了近代航空发展史的序幕的，是美国的莱特兄弟，他们是于 1903 年成功研制出了世界上第一架能真正载人飞行的动力飞机。人类对四轴飞行器的研究与探索也开始于那个时代。但在很长一段时间内，四轴飞行器的研究由于科技发展程度以及理论知识的制约，并未能取得很好的发展与足够的重视。纵览整个 20 世纪，也并没有多少多轴飞行器被真正设计。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。近些年来，国际上针对四轴飞行器已经有很多的研
7、究案例与研究成果，然而我国对四轴飞行器的研究成果还很少。很多国内高校开展了关于四轴飞行器方面的研究工作，研究成果主要有北京理工大学的智能机器人研究所、国防科技大学机器人实验室和上海交通大学的微纳米科学技术研究所等在做这方面的相关工作。从四轴飞行器的发展现状来看我国在该领域与发达国家的差距还很大，必须加大自身的研发力度，开展自主研发工作。沈阳理工大学学士学位论文21.2 本文研究目的及意义四轴飞行器属旋翼飞行器，具有操作简单、控制灵活，便于起降，可以悬停等优点，它小巧的体积可以适应于很多的用途。四轴飞行器在结构上较单一直升机相比，结构紧凑、能产生更大的升力，同时可以通过反扭矩作用使飞行器平衡，不
8、需要专门的反扭矩旋翼，悬停性能更加良好，易于控制，对于操作者的要求不高等特点，这对于广泛的应用推广具有重要的意义，在民用和军事领域都有广泛的应用前景，因此对于四轴飞行器的研究具有重大的现实意义。随着科技的发展，人们生活的节奏也越来越快，随之人们对方便，快捷的要求也随之不断增高。遥控器的出现，在一定程度上满足了人们这个要求。遥控器是由高产的发明家 Robert Adler 在五十年代发明的。而红外遥控是 20 世纪 70 年代才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，具体来讲，就是有发射器发出红外线指令信号，有接收器接收下来并对信号进行处理，
9、最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多地方都应用了红外遥控，而飞行器也不例外。从单纯的在飞行器控制面板上通过按钮控制，到 10 米以上远距离的遥控，虽然改变不大，但其带来的便利无疑是巨大的。而红外遥控技术的成熟，也使得遥控器控制飞行器变得设计简单，价格低廉。小型四旋翼飞行器与其它飞行器相比，其优势在于其机械结构较为简单，并且只需改变四个马达的转速即可实现控制，飞行机动能力灵活。另一方面，小型四旋翼飞行器具有较高的操控性能，并具有小区域范围内起飞、盘旋，飞行、着陆的能力。小
10、型四旋翼飞行器研究也为自动控制以及计算机科学等诸多领域的融合研究提供了一个平台。本设计主要通过单片机识别遥控器发出的信号对四个直流小电机进行速度控制，由电机带动四个旋翼旋转，实现飞行器的加速、减速、升降、前后左右移动等功能。内容涉及力学分析、直流电机驱动、微型计算机控制等学科领域。通过创建模型并编写程序，在仿真软件上进行仿真模拟飞行器的飞行状态，验证设计的合理性。设计主要实现以下主要功能：1. 基于单片机控制飞行器启停、加减速、前进后退、左右侧飞以及左右转；沈阳理工大学学士学位论文32. 通过红外遥控部分能够将键盘的信息有效的传递到微控制器上。1.3 本次设计的主要内容本次毕业设计的主要设计内
11、容是飞行器的整体设计，主要有机械部分、硬件部分和软件三部分。首先是机械部分的结构设计，在文中的第二章中主要介绍的就是这部分内容，机械部分有螺旋桨、机架和电机三部分构成。第二部分是硬件部分的总体设计，这部分内容涉及到对飞行器的单片机控制、整体的电路图设计以及基于单片机的红外遥控部分的设计，这部分内容的重点是单片机对直流电机的控制，只有控制逻辑正确才能让飞行器稳定的飞行。而对于红外遥控部分的设计，在设计中对红外信号的发射和接收进行了简单的设计，采用码分制的方法确保红外信号发出的能被准确的接收到，并且完成相应的操作。第三部分是软件编程、流程图和仿真调试的运行，软件编程采用的是单片机 C 语言进行编写
12、的，流程图是对程序运行的一种顺序表示，表达出程序是如何运行下去的，仿真调试部分是利用 Keil C51 和 Protues 仿真结合在一起进行仿真的。总之，整体设计结构就如上文所述，本次设计是采用成熟的技术，简单的方法实现单片机在飞行控制方面的应用，通过仿真运行结果可以看见设计的思想在理论上是可以的，但是还缺少实践，以后希望有机会再深入研究。沈阳理工大学学士学位论文42 机械结构设计2.1 元器件的选择本结构的设计主要为飞行器的机械部分结构设计，首先要进行设计中所需的零部件的选择，根据四轴飞行器的基本原理和结构，所需的元件主要有支架、四个直流小电机、两个正向旋翼两个反向旋翼、一个 PCB 电路
13、板、四个电机驱动芯片，本部分主要是对支架、电机和旋翼进行选择。2.1.1 飞行器基本工作原理在确定飞行器的模型之前查阅了大量的资料，结合前人的研究成果和经验教训，最终确定飞行器的机械结构呈十字形交叉固定的四根主轴组成，在主轴的四个端点处安装四只旋翼，且四只旋翼处于同一水平面。飞行器的整体空间上呈现轴对称结构，其结构示意图如图 2.1 所示。图 2.1 四轴飞行器控制原理图上图中逆时针方向分别为电机 1，电机 2，电机 3 与电机 4。电机 1 与电机 3 逆时针旋转的同时，电机 2 与电机 4 顺时针旋转。各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，这样才能使飞行器平稳的飞行在空中。四轴
14、飞行器在空间共有 6 个自由度（分别沿 3 个坐标轴作平移和旋转动作） ，这 6 个自由度的控制都可以通过调节沈阳理工大学学士学位论文5不同电机的转速来实现。四只电机转速相同时，因为两对旋翼旋转方向相反，刚好可以使各自对机身产生的反扭矩得到抵消，使飞行器在旋转方向上达到平衡 1。从整体上看，机体只受到向上的升力与其自身重力的作用。当同时增加四个电机的转速时，可以使得旋翼提供的上升的拉力增大，当总拉力大于飞行器自身重力的时候，四轴飞行器便离开地面垂直上升。反之，同时减小降低四只旋翼的转速时，旋翼提供的总的拉力减小，当总的拉力小于机身重力时，飞行器则垂直下降。因此，控制四轴飞行器垂直升降时应保证四
15、个旋翼转速的同步增加或同步减小。当飞行器要转向右转向时，2,4 号电机转速下降，1,3 号电机转速上升，使向右的反扭矩大于向左的反扭矩，四轴在反扭矩的作用下向右旋转。反之，则实现四轴的左转。其他方式的运动原理与上述过程类似，四轴飞行器原理虽然简单，但实现起来还需要很多工作要做。2.1.2 旋翼和机架的确定四轴飞行为了抵消螺旋桨的自旋，相隔的桨旋转方向是不一样的，本设计中共需要一对正桨和一对反桨。在选择螺旋桨的型号时要考虑到桨在旋转时所形成的圆的直径，在查阅了大量资料后确定螺旋桨的型号为 1045。为了保证飞行器在飞行时四个螺旋桨之间不发生干扰，就需要对飞行器支架进行尺寸设计。以上可知螺旋桨直径
16、为 10 英寸（1 英寸=254 毫米） ，一般对于机架的尺寸没有特殊的要求，只要保证在运动过程中各旋翼不发生干扰即可，所以本次设计中让机架长度为 790 毫米，轴距为 750 毫米，正好符合要求。2.1.3 其他小部件的选择由于四轴飞行器的机械结构比较简单，除了螺旋桨和机架外其余的一些小零件主要包括安装在个芯片上的螺钉，螺旋桨上的塑料帽。在选择螺钉时为了方便统一规格，按照标准均用 M5x6.5 规格的螺钉，塑料帽没有要求只要能把螺旋桨固定住就行，以防止在飞行过程中桨飞出造成损坏。2.2 电机根据供电方式，电动机分为直流和交流电动机。而直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。直
17、流电动机包括旋转的电枢和静态的磁场。电枢中的沈阳理工大学学士学位论文6电流，必须通过电刷来产生转动的力。静态磁场可以有绕线式电动机的励磁绕组或永磁电动机的永磁体来提供。绕线式电动机可分为三种类型：串励电动机的电枢和励磁绕组是串联的，这种电机具有很大的启动转矩和较高的空载转速，但它的调速性能较差；并励电动机的电枢和励磁绕组是并联的，这种电动机比串励电动机具有更好地调速性能；复励电动机既有串励励磁绕组又有并励励磁绕组，它综合了串励电机和并励电机的优点。永磁电动机使用永磁铁提供静态磁场，其转矩-速度曲线具有很好的线性，能进行很好的调速，所以本次设计选择了 ZYN 系列稀土永磁直流电机，其型号为70Z
18、YN01，电机参数如下表：表 2.1 电机参数转矩（Nm） 转速（r/min ） 功率（W） 电压（V） 电流 A（不大于）318.6 3000 100 24 6.5直流电机主要由磁极、电枢和换向器三部分组成，下面讨论一下直流电机的工作原理，我们可以把直流电机结构简化为图 2.2 所示的工作原理图。电机具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上，换向片上压着电刷 A 和电刷 B。图 2.2 直流电机工作原理图直流电机再作电动机运行时，将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N 极下的有效边中的电流总是一个方向，而 S 极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样才能使两个边上受到的电磁力方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从 N(S)极下转到 S(N)极下时，其中电流的方向必须同时改
