1、 哈尔滨理工大学学士学位论文 - I - 四旋翼飞行器控制系统设计 摘要 四旋翼飞行器与普通飞行器相比，具有结构简单、故障率低和单位体积能够产生更大的升力等优点；而且四旋翼飞行器非常适合在狭小的空间内执行任务。因此，四旋翼飞行器具有广阔的应用前景，吸引了众多的科研人员，成为国内外新的研宄热点。飞行控制器是四旋翼飞行器最核心的部分，飞行器通过飞行控制器与外界交互并做出反应，使得飞行器能够在没有外界操纵干预的情况下自主飞行。飞行控制器性能的优劣直接决定着飞行器的性能，因此研制高性能的飞行控制器具有十分重要的意义。同时，飞行控制器的设计和研发涉及电子、通 信、自动化和计算机等多种学科，在技术上具有相
2、当大的前沿性。 本文首先介绍了四旋翼飞行器的课題背景和研宄现状，进而又介绍了四旋翼飞行器的控制原理。 其次介绍了四旋翼飞行器控制系统的硬件设计，主要包括器件选型和电路设计两个部分。飞行控制系统的主控制器选用了 ATmega2560 微控制器，传感器选用了 MPU6050、 HMC5883 电子罗盘 随后又介绍了 ATmega2560 最小系统、传感器模块和电源管理模块的电路设计。再次详细介绍了四旋翼飞行器控制系统的软件设计，主要包括坐标系和姿态角定义以及姿态计算方法，最后设计了 一套基于四元数的姿态检测系统。随后又介绍了 PID 控制算法并设计了姿态控制系统。 关键词 四旋翼飞行器 ; 飞行控
3、制器 ; 四元数 ; PID 控制算法 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - Design of Quadrotor Aircraft Control System Abstract Compared to the ordinary aircraft, quadrotor aircraft has the advantages of simplerstructure, lower failure rate,each unit of volume can produce greater lift and so on. Therefore,quadrotor aircraft has a br
4、oad prospect of application that attractes many researchers andbecomes the new hot topics at home and abroad.Quadrotor aircraft flight controller is the most central part of the aircraft,nablingaircrafts to autonomous flight without manipulation from outside.Therefore,the developmentof high performa
5、nce flight controller is of great importance. Meanwhile, the design and research of flight controllers has a considerable foresight in technology. Firstly, this article describes the quadrotor aircrafts background and current status of research,then introduces the quadrotor aircrafts flying principl
6、e. Secondly, this article introduces the hardware design of the quadro tor aircrafts flight system. Chose microcontroller ATmega2560 as the flight controllers main controller and chose sensors as following: mpu6050, electronic compass HMC5883. Thirdly,this article introduces the software design of t
7、he quadrotor aircrafts flight system in detail. Including ,coordinate system,the definition of attitude angles and the calculation method of attitude.Atlas,designs a attitude detection system based on quaternion and kalman filter. After that,introduces the PID control algorithm and designs a attitud
8、e control system . Keywords Quadrotor aircraft; Flight control system; PIDcontrol algorithm 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - 目 录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.3 研究目的与意义 . 3 1.4 研究内容 . 3 第 2 章 总体方案设计 . 4 2.1 总体方案设计 . 4 2.1.1 总体方案 . 4 2.1.2 姿态测量系统 . 4 2.2 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 . 5
9、 2.3 主要器件选型 . 6 2.3.1 电机选型 . 6 2.3.2 螺旋桨选 型 . 6 2.3.3 传感器选型 . 7 2.3.4 处理器选型 . 7 2.4 本章小结 . 8 第 3 章 硬件电路设计 . 9 3.1 单片机模块 . 9 3.1.1 ATmega2560 单片机简介 . 9 3.1.2 ATmega2560 单片机 输入输出 . 9 3.1.3 ATmega2560 单片机工作电路设计 . 10 3.2 姿态获取模块 .11 3.2.1 MPU6050 传感器 .11 3.2.2 HMC5883L 电子罗盘 . 13 3.2.3 I2C 通信协议 . 15 3.2.4
10、 MPU6050 及 HMC5883L 工作电路 . 17 3.3 无线模块 . 17 3.3.1 NRF24L01 简介 . 18 3.3.2 NRF24L01 工作模式 . 18 3.3.3 NRF24L01 数据包处理方式 . 19 3.3.4 SPI 通信协议 . 21 3.3.5 nRF24L01 工作电路 . 23 3.4 串口通信模块 . 24 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 3.4.1 MAX232 芯片简介 . 24 3.4.2 MAX232 芯片引脚介绍 . 25 3.4.3 串口通信电路 . 25 3.5 电机驱动模块 . 26 3.6 电源模块 . 26 3.
11、7 本章小结 . 27 第 4 章 控制算法介绍及主要程序设计 . 28 4.1 控制算法介绍 . 28 4.1.1 姿态解算 . 28 4.1.2 融合算法 . 29 4.1.3 控制算法 . 31 4.2 软件设计 . 33 4.2.1 整体软件流程 . 34 4.2.2 无线通讯程序设计 . 34 4.2.3 数据采集与数据融合程序设计 . 36 4.3 本章小结 . 37 结论 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 附录 A . 41 附录 B . 47 附录 C . 51 附录 D . 52 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第 1章 绪论 1.1 课题背景 早在上个世
12、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 Dragonfly， Micropter
13、ous 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。其中 Micro drones 的产品性能最为稳定，价格也最为昂贵，最低档的产品也要在 40 万人民币左右。缺点是因为采用的是低转速的电机，抗风能力弱，载重能力较差，只能搭载 200g 以下的数码相机，很难搭载其他的传感器来执 行任务。 Dragonfly虽然是最早推出产品的公司，但他们的产品在机动性与抗风性上始终没能让客户感到满意。 Micropterous 公司走的是 DIY 路线，供应散件让用户自己组装，同时在网上公布一部分电路图与程序源代
14、码。虽然在驱动与控制上都存在着许多缺陷，但因为成本低，受到了广大爱好者的青睐。中国国内流传的 4 浆飞行器基本上都是 Micropterous 的复制品。海外的科研团队除了在飞行控制上持续着深入的探讨之外，近期已把大部分的精力投入到智能飞行上。目标是实现无人机的室内室外自由飞行，以便执行一些比较复杂的例如解 救人质的任务。近两年，多旋翼无人机的研发步伐日益加快，德国与美国的警察局都已将配备多旋翼机列入日程。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、北航、国防科技大学、中南大学、吉林大学等。大
15、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。因德国的 Micropterous 公司在网上公开了源程序代码，一些民间企业就模仿Micropterous 制作了产品在网上贩卖，但因没有自己的技术支持，虽售价远低于欧美的同类产品，但性能低劣，无任何实用价值。 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。无论在气象勘测，灾情调查，环境保护等民用领域，还是
16、针对追捕逃犯，瓦解恐怖活动等的警用领域，都有着很大的需求空间。各界人士已经提出了对哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 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。 1.2 国内外研究现状 现在存在的四旋翼飞行器大致分为三类：一种是利用无线电进行遥控的四旋翼飞行器，另外一种是自主控制的中小型的四旋翼飞行器，还有一种是自主控制的微型四旋翼飞行器这几种飞行器都属于小型的无人飞行器。 现在的遥控航模四旋翼飞行器已经有了很多的产品，其中非常著名的产品是美国 Dra-ganflyer 公司研究开发的 Draganflyerlll 和香港的银辉
17、 (silveiiit)玩具制品有限公司研制和开发的 X-UFO。 Draganflyerlll 是一款世界上非常著名的遥 控四旋翼飞行器 ,通常被用作航拍。机体最大长度 (翼尖到翼尖 )76.2cm，高 18cm,重0.48lcg；旋翼直径 28 cm，重 6g；有效载荷 0.11kg；可持续飞行 16-20min。机体的姿态控制是由 3 个 )玉电的晶体陀螺实现的。另外一款非常著名的就是 X-UFO，体积比 Draganflyerlll 稍微小一些，遥控距离可达 100m。 X-UFO 的旋翼增加了一 T“发泡聚丙稀制作的圆环，这样可以保证安全性，即减少了在飞行中被损坏，也减少了旋翼伤害到
18、周围的人和环境。 目前针对四旋翼飞行器控制技术的研究主要集中在以下两个方 面：一方面是基于惯性导航系统的自主控制，另外一方面是基于视觉的自主飞行控制。宾夕法尼亚大学开发了一种小型的四旋翼飞行器，幵发它的主要目的是对机构的设计方法和自主的控制算法做研究与实现。设计的目标是要实现飞行器能在室内和室外的环境都可以完全自主的飞行。 OS4 的最大长度是 0.73m,质量是().235kg。旋翼与 Draganflyerlll 是相同的，电机采用的是 Faulhaber 1724 电机 ,总共四个。还有微型惯导系统是 Xsense 的 MT9-B。飞行测试平台是通过万向节固定起来进行飞行测试。万向节可以
19、使飞行器 有 3 个转动自由度。飞行器的外部可以提供能源的供给，数据处理和电机驱动，还有飞行控制模块都是由外部提供。飞行器的控制算法己经有以下几种 FID、 LQ 、 Backstepping、 Sliding-mode，实现了对飞行器姿态的控制。 0S4 已经有了第二代产品 OS4 II，它的机身长度为 0.72m，重量为0.52kg。 0S4 II 可以载重 230g 的锂电池 0 主的飞行 30rnin 第二代与第一代主要的区别有：首先，旋翼采用了桨叶面积更大的新型旋翼，这样可以产生更大的升力。其次，电机采用的是比上一代轻并且功率更大的 LRK 直流 无刷电机(BLDC)。再次，电机用皮
20、带代替了原来的电机减速箱。最后 ,飞行器的主控板、传感器、电池还有电机的驱动模块都可以直接的安装在机体上，不再需要由外部提供了。 HMX4 是一款与 Dragannyerlll 在机构上大体相似的一款四旋翼飞行器。飞行器的最大长度为 0.76m，重量大约为 0.7g。在机体的底部有 5 个彩色标记。这一款飞行器携带摄像头。摄像头是对地面的标记的位置和面积进行测量。飞行器通过 3 轴陀螺仪测量得到姿态角速率 ,通过计算得到角度。这样可以实现增加飞行器的姿态控制的稳定性。研究人员利用控制算法 Backstepping，在一个设哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 计的实验平台上实现了自主悬停的控
21、制。近来， HMX4 又开发出了基于机载和地面的双摄像头的视觉定位和惯导系统结合的定姿系统，这样就进一步的提高了测量的精度。在这种视觉基于视觉的飞行控制可以更好的执行一些更为特殊的任务 1。在固定的平台起飞和降落，同时还要与地面的可移动的机器人进行协同等等。 1.3 研究目的与意义 微小型四旋翼飞行器特别适合在近地面环境如室内、城区和丛林等 )中执行监视、侦察等任务，具有广阔的军事和民用前景；与此同时，它还是火星探测无人飞行器的重要研究方向之一；另外，新颖的外 形、简单的结构、低廉的成本、卓越的性能以及独特的飞行控制方式 (通过控制 4 只旋翼的转速 ,实现飞行控制 )使其对广大科研人员具有很
22、强的吸引力 , 成为国际上新的研究热点。微小型四旋翼飞行器在军事和民用领域都有广阔的应用前景，极具研究价值。它的研制不仅是对其自身问题的解决，还能推动其所涉及关键技术的发展。微小型四旋翼飞行器是一项涉及多门交叉学科的高、精、尖技术，对国防建设是迫切需要和值得发展的研究项目。 本论文设计和测试一种四旋翼飞行器，飞行器通过中央控制器控制陀螺仪等传感器采集自身的状态数据，通过相应的姿态拟合， PID 等算法，最终控制电机转速实现飞行器的自身悬停。 1.4 研究内容 本设计主要通过单片机采集 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 个微型高速无刷电机带动旋翼旋转，实现飞行器
23、的悬停，内容涉及数学建模、自动控制理论、无刷电机驱动、传感器技术等学科领域。完成了四旋翼飞行器数学模型的建立，飞行控制系统的总体方案设计，软硬件设计，控制算法。 硬件： 1采用 Mega2560 芯片作为控制核心，负责控制各传感器获取姿态数据，并进行姿态拟合和控制参数的计算，最终实现对四个无刷电机的有效控制； 2 传感器采用 MPU6050 传感器模块，包含三轴加速度传，三轴陀螺仪，实现对飞行器姿态数据的获取； 3采用最大电流为 30A 的电调实现对无刷电机的驱动； 4搭建飞行机整体机架。 软件： 1 MPU6050 传感器模块驱动程序； 2 姿态拟合程序； 3 PID 控制程序。 哈尔滨理工
24、大学学士学位论文 - 4 - 第 2章 总体方案设计 2.1 总体方案设计 2.1.1 总体方案 本 系统主要实现 自悬停 。整个控制系统包括电源模块、 无线通讯 模块、 控制器模块。 无线收发模块接受遥控 端 传来的控制信号，然后将控制信息传送给控制器模块。传感器模块采用三轴加速度传感 器、陀螺仪 ，电子罗盘 实时监测飞行器飞行的实际姿态，并将飞行器的实际姿态数据传送给控制器模块。控制器模块接收到传感器模块和无线通讯模块传来的目标姿态数据和实际姿态数据后，完成一系列复杂的算法，得到四旋翼飞行器的姿态和位置信息，计算出控制量，转化为相应的 PWM 信号经驱动电路后驱动四个电机工作，保持四旋翼飞
25、行器稳定飞行 。 系统框架图如图 2-1 所示。 加 速 度 传 感 器陀 螺 仪电 子 罗 盘主控芯片无 线 模 块姿态解算控制计算电 机 驱 动图 2-1 系统框架图 2.1.2 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。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因此传感器模块是为四旋翼飞行器的飞行控制提供各种飞行参
26、数的装置，包括测量机身三轴角速率的陀螺仪、测量机身三轴线加速度的加速度计等。在测量过程中由于陀螺仪存在温漂，导致测得的姿态信息并不准确，因此将陀螺仪和加速度计结合起来获取准 确的偏航角、滚转角、俯仰角信息。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 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。 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，
27、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 四轴飞行器运动控制系统的基本工作原理 四旋翼简要示意图如图 2-2所 示。 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，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。 各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的旋转方向相反，因此当电机 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，可以平衡旋翼对机身的反扭矩。四旋翼飞行器在空间共有 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不同电机的转速来实现 2。 电 机 2电 机 3电 机 4
28、电 机 1逆 时 针 旋 转顺 时 针 旋 转图 2-2 运动控制原理图 飞 行器在三维空间中具有 6 个运动自由度。包括 3 个坐标轴方向的线运动和 3 个坐标轴方向的角运动。上下的平移运动是通过 4 个电机同时增速 (减速 )得到的，当 4 个电机的升力之和等于飞行器的自重时，飞行器便保持悬停。水平面内的前后运动是电机 1、 2 增速 (减速 )的同时，电机 3、 4 减速 (增速 )，此时保持旋翼 1、 3 对机身的反扭矩等于旋翼 2、 4 对机身的反扭矩，在电机 1、 2 与电机 3、 4 的升力之差作用下机身发生倾斜，得到水平面内的前后运动。俯仰运动是通过电机 1、 3 转速保持不变
29、，电机 2 增速 (减速 )的同时，电机 4 减速 (增速 )得到的。以类似的方 法，滚转运动是通过改变电机 1、 3 转速得到的。偏航运动是电机 1、 3 增速 (减速 )的同时，电机 2、 4 减速 (增速 )，此时旋翼 1、 3 对机身的反扭矩大于 (小于 )旋翼 2、 4 对机身的反扭矩，机身便在多余扭矩的作用下得哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 到偏航运动。组合以上的基本运动，可以实现四旋翼微型飞行器的各种复杂运动。 2.3 主要器件选型 2.3.1 电机选型 航模中常用的电机主要有有刷直流电机和无刷直流电机两种，前者成本低、控制简单，但重量大且寿命短；后者成本高、控制复杂，但
30、重量轻且寿命长，而且效率高于前者。相同体积的无刷直流电机功率远远高于有刷直流电机，因此可以不经减 速直接驱动螺旋桨。 电机选型主要看电机的 KV 值、功率和重量等因素，其中 KV 值表示无刷电机输入电压每增加 1V，其空转增加的转速值。研宄表明当四旋翼飞行器采用KV 值为 1000 左右的无刷电机直接驱动螺旋桨时效率较高。朗宇 A2216 无刷直流电机参数如表 2-1 所示。该电机各项参数符合本设计要求，所以本设计选用朗宇 A2216 无刷直流电机作为飞行器的驱动电机。 表 2-1 A2216 无刷直流电机参数表 说明 参数 KV 值 880 重量 85g 拉力 960g 最大电流 17A 最大功率 185W 2.3.2 螺旋桨选型 电机与螺旋桨的搭配是非常复杂的问题：螺旋桨越大，升力越大，但需耍更大的扣力来驱动；螺旋桨转速越高，升力越大；电机的 KV 值越小，扭力越大。因此大螺旋桨需耍用低 KV 的电机，小螺旋架需要高 KV 值的电机。如果高 KV 值的电机带大桨，扭力不足，那么电机和电调就很容易烧掉；如果低 KV值的电机带小桨，电机电调没有问题，但产生的升力不足，可能无法起飞。因此需要通过大量实验才能得出电机与螺旋桨的搭配关系，朗宇公司对 A2216-1CV880 两种常用奖的测试结果如表 2-2 所示。虽然在相同电压下 1147 桨比1045 桨产生的拉力
